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

31 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

65348. ФІНАНСОВО-ЕКОНОМІЧНИЙ МЕХАНІЗМ САНАЦІЇ АГРАРНИХ ПІДПРИЄМСТВ В РИНКОВИХ УМОВАХ 360.5 KB
  З метою збереження виробничої структури підприємства в регіональному господарстві стає впровадження санації головної процедури в системі антикризового управління. Тому на сучасному етапі в умовах зростання кількості аграрних підприємств-банкрутів...
65349. УДОСКОНАЛЕННЯ ПРОТИРАЛЬНОГО ОБЛАДНАННЯ ПІДПРИЄМСТВ ХАРЧУВАННЯ 195 KB
  Дотепер не досліджені зусилля що виникають на робочих органах протиральних машин підприємств харчування в процесі обробки різних харчових продуктів і не визначено комплексний вплив на технічні характеристики протиральних машин...
65350. ВИКОРИСТАННЯ ПОЖИВНИХ РЕЧОВИН ТА ПРОДУКТИВНІ ЯКОСТІ МОЛОДНЯКУ КРОЛІВ ЗА РІЗНИХ РІВНІВ ПРОТЕЇНУ ТА ЛІЗИНУ В КОМБІКОРМАХ 277.5 KB
  Співвідношення поголів’я самців і самок у кожній з груп становило 1:1 10 самців і 10 самок яких утримували окремо. При формуванні групаналогів враховували вік стать живу масу і походження тварин.
65351. Технологічна спадковість в процесах листового штампування при створенні безпечних конструкцій 7.94 MB
  Для досягнення поставленої мети були сформульовані такі завдання: розробити експериментально-розрахунковий метод визначення енергії пластичного деформування листових матеріалів в процесах холодного штампування а також енергопоглинання...
65352. МАРГІНАЛЬНА ПОВЕДІНКА ОСОБИ: ТЕОРЕТИКО-ПРАВОВИЙ АСПЕКТ 142 KB
  Проблема маргінальної поведінки особи та маргіналізації суспільства виступає постійним явищем існування людської історії а її гострота безпосередньо пов’язана з тими суспільними процесами які притаманні певній соціальній спільності...
65353. МІКРОКОМПОНЕНТНИЙ СКЛАД ПИТНИХ ПІДЗЕМНИХ ВОД ВОДОЗАБОРІВ МАЛИХ МІСТ ХАРКІВЩИНИ 1.21 MB
  Техногенне навантаження на навколишнє середовище в цілому та геологічне середовище, зокрема, відноситься до важливих екологічних проблем. Однією з таких актуальних проблем є вплив техногенного навантаження на геохімічний стан підземних вод...
65354. ОЗДОБЛЮВАЛЬН МОДИФІКОВАНІ БУДІВЕЛЬНІ РОЗЧИНИ НА ОСНОВІ БІЛОГО ПОРТЛАНДЦЕМЕНТУ 849 KB
  При використанні сучасних розчинів які мають досить значну номенклатуру за рахунок широкого впровадження технології сухих будівельних сумішей модифікованих СБСМ існує певне обмеження у застосуванні складів на основі білого портландцементу ПЦБ для оздоблення...
65355. АНАЛІЗ ТА МЕТОДИ УПРАВЛІННЯ РЕЖИМАМИ ЕЛЕКТРИЧНИХ СИСТЕМ З ГНУЧКИМИ ПЕРЕДАЧАМИ ЗМІННИМ СТРУМОМ 262.5 KB
  Сьогодні в світі електроенергетики спостерігаються протиріччя між ринковими економічними відносинами та надійністю режимів роботи електричних систем. Економічні перетворення, що відбуваються у вітчизняній електроенергетиці...
65356. ГІДРОІМПУЛЬСНИЙ ПРИВОД МЕМБРАННОГО НАСОСНОГО АГРЕГАТУ ДЛЯ ПЕРЕКАЧУВАННЯ ВИСОКОВ’ЯЗКИХ, АГРЕСИВНИХ ТА АБРАЗИВОВМІСНИХ СЕРЕДОВИЩ 235.5 KB
  Використання гідроімпульсних приводів для насосних агрегатів у вищезазначених галузях промисловості суттєво поліпшить вихідні параметри та характеристики вже морально застарілих та малоефективних приводів насосів а саме...