устройство для поддержания температуры жидкости в криостате

Формула изобретения

Устройство для поддержания температуры жидкости в криостате, содержащее размещенный в криостате змеевик-испаритель, сообщенный трубопроводом с сосудом Дьюара, расположенные в последнем электрический нагреватель и датчик температуры, связанный с регулятором температуры, источник питания, отличающееся тем, что устройство снабжено дополнительным электрическим нагревателем, размещенным в полости криостата, при этом оба нагревателя раздельно подключены к источнику питания через нормально замкнутый нормально разомкнутый контакты, связанные с реле регулятора температуры.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к области криогенной техники, преимущественно технологических, теплофизических и физико-химических исследований.

Известны устройства подачи жидкого азота из сосуда Дьюара в змеевик-испаритель криостата, предназначенные для получения низких температур.

Устройства имеют сосуд Дьюара с жидким азотом, вакуумный насос для создания разряжения, трубопровод с регулируемым вентилем и электрическим нагревателем для создания избыточного давления паров азота в сосуде Дьюара и подачи из него жидкого азота в криостат /1/. Однако данное устройство громоздко за счет применения дополнительного термостата и вакуумного насоса и при этом точность поддержания температуры в основном криостате недостаточна.

Известно также устройство для программируемого замораживания биообъектов, содержащее теплоизоляционную камеру для промежуточного теплоносителя и контейнеров c биообъектом, размещенных в ней теплообменником для хладоагента, сообщенной с сосудом Дьюара, дополнительный теплообменник, размещенный на выходе из камеры, блок регулирования температуры в камере, содержащий последовательно соединенные датчики температуры и преобразователь, подсоединенный к одному блоку сравнения, задатчик программы, подсоединенный к другому входу блока сравнения и блок регулирования подачи хладоагента в камеру, включающий установленный на выходе из дополнительного теплообменника электромагнитный клапан, который установлен после дополнительного наружного теплообменника /2/.

Данное устройство, принятое за прототип, не может обеспечить высокой точности поддержания температуры жидкости в теплоизоляционной камере, которая выполняет функцию криостата. Это вызвано тем, что в сосуде Дьюара отсутствуют устройства для создания и поддержания необходимого постоянного избыточного давления паров азота, а установленное реле давления только ограничивает величину первоначального давления паров азота в сосуде Дьюара. Таким образом, рабочее давление паров азота в сосуде Дьюара в прототипе переменное. Установленный электромагнитный клапан после дополнительного теплообменника не может обеспечить необходимую дозировку жидкого азота в теплообменник камеры охлаждения для поддержания заданной температуры, так как после его закрытия по команде от системы программирования температуры в систему охлаждения, включающую теплообменник камеры охлаждения и дополнительный теплообменник, продолжает поступать жидкий азот из сосуда Дьюара за счет выхода паров азота через отводную трубку перемешивателя. В холодильной камере отсутствует электрический нагреватель, который бы мог уменьшить возможную величину охлаждения хладоагента относительно установленной задатчиком программы температуры.

Задачей предлагаемого технического решения является увеличение точности поддержания температуры жидкости в криостате и экономичности за счет нового устройства, обеспечивающего регулируемую подачу жидкого азота в теплообменник криостата.

Для достижения этой задачи в известном устройстве подачи жидкого азота из сосуда Дьюара в теплообменник вместо запирающего вентиля установлен нормально закрытый электромагнитный клапан, который одновременно выполняет функцию запирающего вентиля. Исключен дополнительный наружный теплообменник. В сосуде Дьюара и криостате установлены электрические нагреватели, которые подключены через разделительные трансформаторы к источнику питания с регулируемым напряжением на каждый разделительный трансформатор. Вместо реле давления установлен регулятор давления "до себя", который дополнительно выполняет функцию предохранительного клапана для сосуда Дьюара. Исключен перемешиватель хладоагента в криостате в виде отводной трубки паров азота из дополнительного холодильника, а его функцию выполняет установленная в криостате электромеханическая мешалка. Таким образом, предложенное техническое решение обеспечивает регулируемую автоматическую подачу жидкого азота в змеевик-испаритель криостата в соответствии с заданной температурой и ее поддержание с высокой точностью и экономным расходом жидкого азота.

На чертеже изображено устройство для поддержания температуры жидкости в криостате 1, заполненном низкотемпературным хладоагентом 2, температура которого измеряется при помощи образцового термометра сопротивления 3 типа ПТС-10 с точностью 0,005 град. Для равномерности температуры жидкости в криостате установлена электромеханическая мешалка 4. Датчиком для регулирования и поддержания температуры жидкости в криостате является термопара 5, сигнал от которой поступает на регулятор температуры 6, а от него подаются команды на катушку реле Р₁ с контактами К₁₁, K₁₂ и К₁₃, цепей питания нагревателей R₁ сосуда Дьюара, R₂- криостата и катушки Р₂ электромагнитного клапана, соответственно. При этом нагреватель сосуда Дьюара с катушкой электромагнитного клапана к соответствующим источникам питания подключены через нормально закрытые контакты К₁₁ и K₁₃, а нагреватель криостата через нормально открытые контакты K₁₂. В змеевик-испаритель 7 криостата жидкий азот поступает по трубопроводу 8 из сосуда Дьюара 9 при открытом электромагнитном клапане 10 и включенном нагревателе R₁. Необходимое минимальное количество выделяемого тепла от нагревателя R₁ подбирают опытным путем при помощи автотрансформатора типа PHO-5 по показанию вольтметра V₁ и амперметра А₁. Рабочее давление паров азота в сосуде Дьюара устанавливаем регулятором давления 11 "до себя". Погружной электрический нагреватель R₂ также служит для увеличения точности поддержания температуры жидкости в криостате путем выравнивания периодов времени "охлаждение нагрев" реле Р₁ при помощи РНО-5 по показаниям вольтметра V₂ и амперметра A₂.

Устройство для поддержания температуры жидкости в криостате работает следующим образом. Выводим криостат 1 на заданную температуру путем подачи жидкого азота в змеевик-испаритель 7 по трубопроводу 8 из сосуда Дьюара 9 при открытом электромагнитном клапане 10 и включенном нагревателе R₁. Необходимый расход жидкого азота устанавливаем при помощи РHO-5 по показаниям вольтметра V₁ и амперметра А₁. Регулятор давления 11 "до себя" устанавливаем на необходимое рабочее давление для заданного температурного режима. После ввода криостата на заданный температурный режим уменьшаем до минимума мощность на нагревателе R₁ по показаниям V₁ и А₁, устанавливаем необходимую мощность нагревателя R₂ по показаниям V₂ и A₂ до выравнивания с точностью до 10% периодов времени "охлаждение нагрев" по показаниям времени включения соответствующих амперметров А₁ и A₂. А также уменьшаем до минимума рабочее давление паров азота в сосуде Дьюара при помощи регулятора давления 11 "до себя". Это в стационарном режиме приводит к значительному сокращению подачи жидкого азота в змеевик-испаритель и увеличению точности поддержания температуры жидкости в криостате.

По предложенному техническому решению был модернизирован импортный ультратермостат типа NBE для низкотемпературных измерений в интервале температур -50. +25^oС. По показанию образцового термометра сопротивления типа ПТС-10 с учетом погрешности регулирования и поддержания температуры ультратермостата случайная погрешность температуры, установленная задатчиком, не превышала 0,07 град /3/, что более чем в 10 раз выше точности поддержания температуры по отношению к прототипу. При этом расход жидкого азота в модернизированном криостате с объемом хладоагента 12 л в стационарных условиях не превышал 1,5 кг/ч. Максимальная мощность электрического нагревателя R₁ в сосуде Дьюара30 Вт, электрического нагревателя R₂ в криостате20 Вт. Тепло, выделяемое электрической мешалкой,30 Вт. Для электробезопасной эксплуатации устройства электронагреватели сосуда Дьюара R₁, криостата R₂ и катушка P₂ запорного электромагнитного клапана запитаны через низковольтные источники питания.

Намечено изготовление по отдельным заказам криостатов по предлагаемому изобретению. Таким образом, предлагаемое устройство для поддержания температуры жидкости в криоcтате по сравнению с прототипом позволяет в десятки раз увеличить точность поддержания температуры жидкости в криостате, уменьшить удельный расход жидкого азота в криостате, увеличить надежность работы системы подачи жидкого азота за счет использования одного реле с раздельными контактами на нагреватели сосуда Дьюара, криостата и электромагнитного клапана.