19164

Компактные криорефрижераторы

Лекция

Производство и промышленные технологии

ОСНОВЫ КОНСТРУИРОВАНИЯ КРИОГЕННЫХ УСТРОЙСТВ Лекция 15 Компактные криорефрижераторы В последнее время для получения низких температур все чаще стали использоваться компактные криорефрижераторы криокулеры. Основное преимущество этих устройств заключается в от

Русский

2013-07-11

615 KB

33 чел.

ОСНОВЫ КОНСТРУИРОВАНИЯ КРИОГЕННЫХ УСТРОЙСТВ

Лекция 15

Компактные криорефрижераторы

В последнее время для получения низких температур все чаще стали использоваться компактные криорефрижераторы – криокулеры. Основное преимущество этих устройств заключается в отсутствии жидких хладагентов. Охлаждению, как правило, подвергается держатель образца или криоголовка. Для работы криокулера требуется термостатированный объем, который по конструкции похож на обычный гелиевый или азотный криостаты. Для охлаждения больших объектов с помощью криокулеров необходимо применять теплообменный газ или различные тепловые мосты. Основными характеристиками криорефрижераторов являются величины тепловых мощностей, снимаемых на первой и второй ступенях охлаждения, минимально достижимая температура и время, требуемое для охлаждения устройства.

В настоящее время имеется целый ряд компаний - производителей компактных криорефрижераторов. Ниже мы рассмотрим некоторые модели криорефрижераторов, основанных на цикле Гиффорда-МакМагона (Gifford-McMahon) и пульсационных трубах, серийно выпускаемых одним из ведущих производителей Sumitomo Heavy Industries (Япония).

 

15.1. Характеристики различных криорифрежераторов

15.1.1. Двухступенчатые криорефрижераторы 4,2 K на цикле Гиффорда-МакМагона

Двухступенчатые криорефрижераторы модели SDRK находятся на рынке более десяти лет и известны своей высокой хладопроизводительностью, работоспособностью при любой ориентации в пространстве, исключительной надежностью, компактностью и простотой в обращении. Вышесказанное делает серию SRDK идеальным выбором как для исследовательских приложений, так и для промышленного применения.

На рис. 15.1 представлена диаграмма хладопроизводительности модели SRDK-4008D. Эта диаграмма позволяет определить либо допустимые мощности теплоподвода к первой и второй ступеням при заданных температурах, либо значения температур, которые можно достигнуть при имеющихся мощностях тепловых потоков. Например, при подводимой мощности на первой ступени 60 Вт и второй ступени 4 Вт температура соответственно первой ступени будет составлять 66 К, а второй ступени – 6,2 К. Видно, что если тепловой подвод ко второй ступени уменьшить до 1 Вт, предельно достижимая температура также уменьшится и составит 4 К.

Рис. 15.1. Диаграмма хладопроизводительности криорефрижератора SRDK-4008D

Таблица 15.1

Характеристики криорефрижераторов серии SRDK

Модель

SRDK-415D

SRDK-408D2

SRDK-305D

SRDK-205D

SRDK-101D

1-я ступ. , Вт

35 Вт @ 50 K

31 Вт @ 40 K

15 Вт @ 40 K

3 Вт @ 50 K

3 Вт @ 60 K

2-я ступ., Вт

1,5 Вт @ 4,2 K

1,0 Вт @ 4,2 K

0,4 Вт @ 4,2 K

0,5 Вт @ 4,2 K

0,1 Вт @ 4,2 K

Тмин. 2-ой ступ., K

< 3,5

< 3,5

< 3,5

< 3,5

< 3,0

Охлаждение до 4,2 K, мин.

< 60

< 60

< 120

< 90

< 150

Т-ра окр. среды, °C

5 ... 35

5 ... 35

5 ... 35

5 ... 35

5 ... 35

Вес, кг

18,0

18,0

16,0

14,0

7,2

Рис. 15.2. Внешний вид криорефрижераторов SDRK

15.1.2. Двухступенчатые криорефрижераторы 4,2 K серии SRP (пульсационные трубы)

Криогенные рефрижераторы серии SRP представляют собой высокопроизводительные устройства, работающие по принципу пульсационной трубы. В связи с отсутствием в холодной голове криокулера каких-либо движущихся частей, данные машины обладают существенно меньшими вибрациями, более простой конструкцией и, соответственно, большей надежностью, чем аналогичные криорефрижераторы на базе цикла Гиффорда-МакМагона или Стирлинга. Вышесказанное делает SRP-серию удачным выбором для исследовательских приложений, особенно чувствительных к вибрациям, таких, например, как оптические исследования или охлаждение образцов в электронных и туннельных микроскопах.

Таблица 15.2

Характеристики криорефрижераторов серии SRP 

Модель

SRP-052A

SRP-052D

SRP-062A

SRP-082A

1-я ступень, Вт

10 Вт @ 45 K

10 Вт @ 50 K

30 Вт @ 65 K

40 Вт @ 45 K

2-я ступупень, Вт

0,5 Вт @ 4,2 K

0,5 Вт @ 4,2 K

0,5 Вт @ 4,2 K

1,0 Вт @ 4,2 K

Тмин. 2-ой ступ., K

< 3,0

< 3,5

< 2,6

< 3,0

Охлаждение до 4,2 K, мин.

< 70

< 80

< 80

< 70

Т-ра окр. среды, °C

5 ... 35

5 ... 35

5 ... 35

5 ... 35

Вес, кг

23,5

23,5

23,2

25,7

Вибрация, мкм

1-й ступени

2-й ступени

н/д

н/д

± 3

± 3

± 3

± 5

± 8

± 11

Ориентация

вертик.

вертик.

вертик.

вертик.

Рис. 15.3. Внешний вид криорефрижераторов SRP 

15.1.3. Двухступенчатые криорефрижераторы для температур 10 – 20 K

В ряде приложений не требуются температуры ниже 10 К. В этом случае имеет смысл использовать высокопроизводительные криогенные рефрижераторы серий DE, M, CH, SRDK на цикле Гиффорда-МакМагона. Данные серии криорефрижераторов применяются для широкого круга задач, в том числе, в криостатах для охлаждения экранов или исследуемых образцов, а также в качестве ключевого элемента криогенных вакуумных насосов. Первое поколение таких криорефрижераторов на 10 K было разработано более чем 40 лет назад и известно своей исключительной надежностью и удобством в эксплуатации. Возможно сверхвысоковакуумное (UHV) исполнение криорефрижераторов с возможностью прогрева цилиндра до 200 ºС, а также исполнение с минимальной температурой 6,5 K. При необходимости головка криорефрижератора может быть оснащена необходимым присоединительным фланцем, в том числе нестандартным.

Рис. 15.4. Двухступенчатые криорефрижераторы серии DE на 10-20 К 

Рис. 15.5. Диаграмма хладопроизводительности криорефрижератора DE-202

Таблица 15.3

Характеристики криорефрижераторов серии DE 

Модель

DE-202

DE-204SL 6,5 K

1-я ступ. , Вт

7,3 Вт @ 77 K

13,5 Вт @ 77 K

2-я ступ., Вт

1,8 Вт @ 20 K

2,5 Вт @ 10 K
7,5 Вт @ 20 K

Тмин. 2-й ступ., K

< 10

< 6,5

Охлаждение до 10 K, мин.

< 75

< 35

Т-ра окр. среды, °C

4 ... 40

4 ... 40

Вес, кг

6.8

7.7

Таблица 15.4

Характеристики криорефрижераторов серии M 

Модель

M-204S

M-208R

M-208S

1-я ступ. , Вт

13,5 Вт @ 80 K

65 Вт @ 77 K

28 Вт @ 77 K

2-я ступ., Вт

6,7 Вт @ 20 K

6,0 Вт @ 20 K

8,0 Вт @ 20 K

Тмин.2-й ступ., K

< 10

< 10

< 10

Охлаждение до 10 K, мин.

< 35

< 55

< 50

Т-ра окр. среды, °C

4 ... 40

4 ... 40

4 ... 40

Вес, кг

6,8

11,7

15,9

Таблица 15.4

Характеристики криорефрижераторов серии CH, SRDK

Модель

CH-210

SRDK-408S

SRDK-400 линия

1-я ступ. , Вт

110 Вт @ 77 K

30 Вт @ 45 K

54 Вт @ 40 K

2-я ступ., Вт

6,0 Вт @ 20 K

5,4 Вт @ 10 K

нет

Тмин.2-й ступ., K

< 10

< 7

< 25

Охлаждение до 10 K, мин.

Н/Д

< 60

Н/Д

Т-ра окр. среды, °C

4 ... 40

5 ... 35

5 ... 35

Вес, кг

13,6

17,2

16,0

15.1.4. Одноступенчатые криорефрижераторы 77 K серии SRP (пульсационные трубы)

Для работы с азотными температурами достаточно эффективными являются одноступенчатые криогенные рефрижераторы серии SRP, работающие по принципу пульсационной трубы. Как и рефрижераторы серии SRP на 4,2, эти устройства, рассчитанные на азотные температуры, обладают существенно меньшими вибрациями, более простой конструкцией и соответственно большей надежностью, чем аналогичные криорефрижераторы на базе цикла Гиффорда-МакМагона или Стирлинга.

Таблица 15.5

Характеристики криорефрижераторов серии SRP 

Модель

SRP-1512A

SRP-2620A

1-я ступ. , Вт

5 Вт @ 80 K

10 Вт @ 77 K

Тмин. , K

< 60

< 55

Время охлаждения, мин.

< 20 (80 K)

< 40 (77 K)

Т-ра окр. среды, °C

5 ... 35

5 ... 35

Вес, кг

8,8

10,1

Ориентация

Произвольная

Произвольная

Рис. 15.6. Зависимость температуры криоголовки рефрижератора серии SRP от угла ориентации при различных тепловых нагрузках. 

Рис. 15.7. Внешний вид одноступенчатого криорефрижератора серии SRP на 77 К 


12.2. Примеры применения компактных криорефрижераторов в исследовательских криостатах

15.2.1. Безжидкостный криостат-рефрижератор для оптических, рентгеновских и мессбауэровских исследований в диапазоне температур 4 – 273 K

Данный криостат-рефрижератор действует по принципу 'cryogen-free'. Поддержание низкой температуры в рабочей области криостата осуществляется криорефрижератором ('cold head'), первая и вторая ступени которого посредством теплового контакта охлаждают соответственно экран и внутреннюю изотермическую камеру шахты криостата. Исследуемые образцы помещаются в изотермическую камеру шахты, заполненную теплообменным газом – гелием. Для снижения до минимума вибраций образца криостат конструктивно разделен на две части, расположенные на виброизолирующих опорах. В нижней части криостата размещен криорефрижератор, к которому прикреплены наружный кожух, шахта и тепловой экран. В верхней части криостата крепится шток с держателем образцов. Обе части связаны между собой через эластичную виброизолирующую муфту-стяжку из гофрированной резины. Для проведения оптических, рентгеновских или мессбауэровских измерений криостат снабжен окнами, изготовленными из прозрачных для этих областей спектра материалов.

В конструкции криостата используется криорефрижератор типа Gifford McMahon или Pulsed tube. Криорефрижератор подключается к компрессору линиями высокого давления 1,5 МПа. Компрессор и присоединительные шланги входят в комплект поставки криорефрижератора.

Криорефрижератор установлен в вертикальном «перевернутом» положении, так что его «теплая» часть с терминалами находится внизу. Низкотемпературная ступень рефрижератора (вторая ступень) охлаждает за счет прямого контакта медную «изотермическую» камеру шахты. Контакт обеспечивается болтовым соединением с использованием прокладки из индия для улучшения теплопередачи. Верхняя часть шахты представляет собой тонкостенную трубу из нержавеющей стали.

Для теплоизоляции от комнатной температуры «холодная» часть криорефрижератора и камера шахты помещены внутри вакуумной полости криостата, стенками которой являются наружный кожух и сама шахта. Вакуумная полость замыкается двумя разборными фланцевыми соединениями, использующими резиновые кольца-уплотнители. Внутри вакуумной полости располагается тепловой экран, который окружает камеру шахты и головку второй ступени рефрижератора, и обеспечивает дальнейшее снижение теплопритока к низкотемпературной области. Экран выполнен из меди и присоединен к первой ступени рефрижератора.

Таблица 15.6

Основные технические характеристики безжидкостного криостат-рефрижератора для  исследований в диапазоне температур 4 – 273 K

Диапазон рабочих температур, K

10 – 273

Точность регулирования температуры, не хуже, K

в диапазоне 10 – 50 K

± 0,1

в диапазоне 50 – 273 K

± 0,2

Диаметр окна (наружное/внутреннее), мм

23/18,5

Расстояние между наружными окнами, мм

54

Материал окон

Кварц, бериллий, майлар

Держатель образца

Кассетный, на три образца

Диаметр шахты с образцом, мм

18

Габаритные размеры криостата с виброизоляционными опорами, м

1,5 х 1,4 х 0,5

Время непрерывной работы

Ограничено ресурсом криорефрижератора (техобслуживание один раз в год)

Сопряжение с компьютером

Последовательный интерфейс RS-232

Терморегулятор

tSTAT330

Ввод электрического сигнала к образцу

Присутствует

Рис.15.8. Схематическое изображение безжидкостного криостат-рефрижератора

для оптических, рентгеновских и мессбауэровских исследований в

диапазоне температур 4 – 273 K

15.2.2. Безжидкостная гелиевая криомагнитная установка для низкотемпературных исследований в сильных магнитных полях

Компактный безжидкостный гелиевый криостат имеет герметичный корпус и внутренний герметичный гелиевый объем, в котором установлен сверхпроводящий соленоид. Для уменьшения теплопритоков к холодной массе в системе используются ВТСП-токовводы. Вокруг гелиевого объема установлен медный экран, охлаждаемый первой ступенью криокулера. Экран изолирован от наружного корпуса экранно-вакуумной изоляцией. Медный гелиевый объем, в котором расположен сверхпроводящий соленоид, изолирован от экрана также экранно-вакуумной изоляцией и находится в хорошем тепловом контакте со второй ступенью криокулера. Между наружным корпусом и гелиевым - объемом общая вакуумная полость, откаченная до давления 10-4 мм рт. ст. Для охлаждения сверхпроводящего соленоида гелиевый экран постоянно заполнен теплообменным гелием, давление которого при рабочей температуре составляет несколько мм рт. ст. В средней части гелиевого объема проходит трубка, в которой размещаются испытуемые образцы. Нижний торец трубки припаян к нижнему днищу гелиевого объема. Испытуемый образец устанавливается в криостате с верхнего конца в трубке. В нижний торец трубки вварен капилляр, по которому на образец подается холодный гелий. Температура образца регулируется как нагревателем, установленном на держателе образца, так и массовым потоком охлаждающего гелия.

Для работ при температурах значительно выше жидкого гелия есть возможность установки в трубку дополнительной криогенной вставки, которая будет снимать теплоприток от образца в гелиевый объем. Гелий для охлаждения образца вводится в криостат из баллона и проходит по припаянной к экрану трубке, охлаждаясь до температуры около 50 K. Дальнейшее охлаждение гелия происходит в трубке, припаянной к гелиевому объему. Минимальная температура охлаждающего гелия составляет 4 K и зависит от тепловой нагрузки криокулера.

Таблица 15.7

Основные технические характеристики криомагнитной установки

Сверхпроводящий магнит

Центральное поле, Т

до 8

Центральное отверстие, мм

40 и выше

Однородность поля, %

< 0,1

Рабочий ток, А

120

Время заведения полного тока, мин

< 60

 

 

Охлаждающая система

Производительность криокулера при 4,2 K, Вт

1,5

Общее время захолаживания от комнатной температуры, ч

< 24

Температура образца, K

4,2 – 300

Рис. 15.9. Безжидкостная гелиевая криомагнитная установка для низкотемпературных исследований в сильных магнитных полях.

PAGE  13


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

10161. Предпосылки и этапы формирования философии техники 33.5 KB
  Предпосылки и этапы формирования философии техники. История техники это объективная предпосылка человеческой деятельности. Есть несколько концепций исторического развития техники. В классическом марксистском видении ее история выражена цепочкой последовательн...
10162. Определение техники как философская проблема. Основные способы определения техники 47 KB
  Определение техники как философская проблема. Основные способы определения техники. Отсутствие должной степени разработки философских аспектов техники во многом вызвано тем обстоятельством что техника как объект исследования со стороны философии представляет с...
10163. Специфика технического отношения к миру и технического типа мышления 36 KB
  Специфика технического отношения к миру и технического типа мышления. В имеющихся определениях техники обнаруживается существенно общий смысловой срез: по отношению к человеку техника является вопервых воплощением его деятельности и вовторых таким вопло...
10164. Специфика технического знания и технических наук 53 KB
  Специфика технического знания и технических наук. Поскольку техническое знание ближе всего естественнонаучному то его специфику легче всего усмотреть на основе их сравнения. Техника большую часть своей истории была мало связана с наукой люди могли делать и делал...
10165. Отношение техники и прикладного знания. Типология технических наук 24.5 KB
  Отношение техники и прикладного знания. Типология технических наук. Это одна из причин почему традиционная характеристика техники как прикладного Е сейчас оценивается как устаревшая. Это утверждение может быть признано лишь отчасти справедливым по отношению к не
10166. Периодизация развития техники как философская проблема. Основные способы периодизации развития техники 50.5 KB
  Периодизация развития техники как философская проблема. Основные способы периодизации развития техники. Закономерности исторического развития техники. Проблема периодизации. Предметная сторона Т. Техника и наука. Т как деятельность. ФТ выделяе...
10167. Взаимоотношение науки и техники на различных этапах эволюции техники 50 KB
  Взаимоотношение науки и техники на различных этапах эволюции техники Они не всегда были взаимосвязаны Т долгое время развивалась независимо от всякой науки. Это не означает что в технике не применялись научные знания. Доинженерный период. Но наука не имела дисциплин
10168. Техногенная цивилизация, ее история и перспективы 108 KB
  Техногенная цивилизация ее история и перспективы. Информационное общество это высшая стадия развития техногенной цивилизации. Для характеристики его места в истории вернемся к общим представлениям о развитии культуры. С т.з. современной социальной философии сущ
10169. Чернобыльская радиация в вопросах и ответах 735.41 KB
  Когда в СССР сообщили об аварии на Чернобыльской АЭС Первая информация об аварии прозвучала в программе Время вечером 27 апреля, первая публикация в печати состоялась 28 апреля...