Краткая характеристика объектов охлаждения

Реализация достижений низкотемпературной физики твердого тела в электронике стимулировала появление совершенно новой и специфической области - микрокриогенной техники. Ее развитие открыло принципиально новые возможности при решении задач физики, электроники, энергетики, систем связи, вычислительной техники, биологии, медицины и др.

Успешная разработка любой микрокриогенной установки, как изделия микрокриогенной техники, оптимизация ее параметров возможны лишь при тщательном учете особенностей конструкции охлаждаемых устройств и специфики их работы. В ряде случаев единственно правильным является рассмотрение криостатируемого объекта и микрокриогенной установки как единого комплексного устройства, параметры составных частей которого тесно взаимосвязаны. Это тем не менее не исключает возможности широкой стандартизации и унификации изделий микрокриогенной техники, т. к. низкотемпературные приборы можно разбить на несколько групп однотипных изделий, обладающих сходными криотехническими и конструктивными характеристиками.

К основным характеристикам объектов охлаждения относятся:

температура криостатирования Т_р и необходимая точность ее поддержания (диапазон DТ_р);

внутреннее тепловыделение Q_В и теплопритоки из окружающей среды Q_Т ; сумма этих тепловых потоков Q_О = Q_В + Q_Т является полезной тепловой нагрузкой микрокриогенной установки и соответствует ее минимально допустимой холодопроизводительности в стационарном режиме;

приведенная теплоемкость С_пр охлаждаемых элементов и узлов конструкции, которая вместе с Q_В и Q_Т определяет необходимую холодопроизводительность системы в пусковом режиме;

условия теплового и конструктивного сопряжения микрокриогенной, установки с объектом охлаждения - расстояние между ними, возможные конструкции узла стыка, режим теплообмена и др.

Физические основы работы, конструкция и параметры созданных к настоящему времени многочисленных устройств, требующих глубокого охлаждения, достаточно подробно рассмотрены нами ранее. В связи с этим ограничимся краткой характеристикой лишь некоторых, наиболее типичных приборов одной из новых областей техники - криоэлектроники, в которой широко применяют изделия микрокриогенной техники и успешно используются достижения физики низких температур

Криоэлектронные приборы можно классифицировать по следующим признакам:

по температуре криостатирования - на приборы с гелиевым (до 15К), неоноводородным (до 70К) и азотным (свыше 70К) диапазонами охлаждения;

по величине тепловой нагрузки - приборы с малым внутренним тепловыделением и незначительной массой охлаждаемых элементов (ИК - приемники), со значительным тепловыделением, но малой теплоемкостью элементов (полупроводниковые квантовые генераторы - ПКГ) и, наконец, с относительно большими массой и теплоемкостью охлаждаемых элементов, но малыми внутренними тепловыделениями (СВЧ - приборы).

Глубокоохлаждаемые приемники инфракрасного излучения составляют наиболее представительную и важную для нас группу приборов, широко применяемых совместно с микрокриогенными системами в различных областях промышленности и научных исследований. Основные криотехнические характеристики охлаждаемых приборов с фоточувствительными элементами на основе различных полупроводниковых материалов, обеспечивающих свой диапазон спектральной чувствительности инфракрасного излучения, приведены в таблице 1.

Таблица 1.

Примечание. Значения Q_Т и Q_В даны для одноэлементных фотоприемников

Типичная конструкция фотоприемника содержит кроме охлаждаемого фоточувствительного элемента теплоизолирующий вакуумный сосуд с оптически прозрачными входными окнами и корпусные узлы, обеспечивающие герметичность и прочность прибора. Размеры, конфигурация и криотехнические параметры этих узлов зависят от типа фотоприемника и сопрягаемой с ним системы охлаждения. Важной задачей является также обеспечение герметичности и прочности узла сопряжения для исключения возможности повреждения охлаждаемого объекта при работе системы охлаждения. Существуют, например, глубокоохлаждаемые фотоприемники конструктивно встроенные в контейнер с хладагентом или размещенные непосредственно на «холодном пальце» охлаждающего устройства.

Существенная особенность фотоприемников - незначительное тепловыделение в фоточувствительном элементе; лишь в многоэлементных приборах на основе низкоомных полупроводников величина может достигать 0,5-1,0 Вт. Теплопритоки из окружающей среды и приведенная теплоемкость относительно невелики, что позволяет сопрягать фотоприемники практически с любым типом микрокриогенной установки.

2. Общая характеристика систем охлаждения.

Характерные особенности микрокриогенных систем. Явно выраженные как в научно-техническом, так и в производственно-технологическом аспекте специфические особенности микрокриогенных систем выделяют их в новое направление криогенной техники.

Миниатюризация криогенной системы приводит к резкому возрастанию относительной величины внешних и внутренних потерь. Влияние этого фактора настолько значительно, что в большинстве случаев возникает необходимость в критическом пересмотре имеющихся рекомендаций по выбору методов охлаждения, технических решений и параметров машин и аппаратов криогенных установок. Ряд хорошо зарекомендовавших себя циклов, схем и конструкций при использовании в микрокриогенной технике оказывается малоэффективным, а в некоторых случаях - неприемлемым. Часто приходится искать новые, более эффективные с точки зрения миниатюризации методы криогенного охлаждения, или совершенствовать известные. Именно поэтому интенсивно совершенствуются и находят все более широкое применение газовые криогенные машины, работающие по циклам Стирлинга, Вюлемье, Гиффорда - Мак-Магона и др. Переживают второе рождение классические методы криогенного охлаждения с использованием эффекта дросселирования, адиабатического расширения, на основе жидких и отвержденных хладагентов.

Энергопотребление, масса, габаритные размеры и длительность работы - важнейшие технические характеристики любых криогенных установок. К микрокриогенным системам предъявляют особенно жесткие требования по этим показателям, так как подобные системы нередко применяют на объектах с крайне ограниченными возможностями по энергетическим ресурсам и лимитированием по массе и габаритным размерам

Энергонапряженность основных элементов микрокриогенных систем и резкое увеличение относительных потерь значительно усложняют задачу получения приемлемых для потребителя параметров. Достижение высокой эффективности в этих условиях требует решения ряда сложных технических проблем с учетом особенностей рабочих процессов в таких установках. Наиболее характерные из них: нестационарность процессов тепло- и массо- обмена, протекающих при переменных массе, давлении и температуре; высокая тепловая нагрузка на аппараты; изменение агрегатного состояния рабочего тела; высокая скорость протекания процессов; специфические условия взаимодействия с окружающей средой и объектом охлаждения, влияющие на характер термодинамических и тепловых процессов, и др

Характерной особенностью микрокриогенных систем является чрезвычайно большой диапазон изменения их ресурсных показателей в зависимости от назначения, применения и типа системы. Требуемая длительность непрерывной работы колеблется от десятков секунд до нескольких тысяч часов, а ресурс - от 1 мин до 25 000 ч и более.

Значительное влияние на конструкцию и работу микрокриогенных систем оказывают условия эксплуатации и другие требования, к которым, в частности, относятся обеспечение работоспособности в широком диапазоне параметров окружающей среды (температуры, давления, влажности); устойчивость к воздействию механических нагрузок (вибраций, ударов, ускорений); автономность и максимальная простота обслуживания; удобство сопряжения с охлаждаемым объектом и размещения системы у потребителя.

Основные показатели качества микрокриогенных систем. Показатели качества микрокриогенных систем установлены ГОСТ 4.42 - 75 «Система показателей качества продукции. Системы микрокриогенные. Номенклатура показателей». В зависимости от целей и задач сравнительного анализа качество и термодинамическое совершенство можно оценивать по комплексу всех характеристик, по отдельным группам показателей или по определяющим единичным критериям. Наиболее важными для практики показателями являются: температура криостатирования; полезная и приведенная холодопроизводительность; эксергетический КПД; время выхода на рабочий режим; относительная масса системы; относительный объем системы.

Полезная холодопроизводительность Q_о - это максимальное количество тепла, которое может быть отведено системой в единицу времени при температуре криостатирования Т_р

Приведенная холодопроизводительность Q_е, соответствует минимальной мощности, необходимой для отвода теплового потока Q_о к окружающей среде, и совпадает с эксергией этого теплового потока. Величину Q_о определяют из выражения

Q_е = Q_оt_е = Q_о (Т_о - Т_р)/Т_р

где: t_е - эксергетическая температурная функция; Т_о - температура окружающей среды.

Для микрокриогенных систем Q_е не превышает 500 Вт.

Эксергетический КПД установок, работающих по замкнутым криогенным циклам, представляет собой отношение приведенной холодопроизводительности к подводимой эксергетической мощности:

h_е = Q_е / N_е

Для систем с потреблением электроэнергии подводимая эксергетическая мощность совпадает с электрической мощностью N, а для систем с тепловым приводом - с мощностью работоспособной части подводимого теплового потока

Эксергетический КПД систем, работающих от запаса сжатого, сжиженного или отвержденного газа, равен отношению действительного эксергетического результата совокупности реально происходящих в них процессов, т. е. эксергии суммарного отведенного от охлаждаемого объекта тепла, к максимально возможному результату, получаемому при условии обратимости процесса.

Эксергетический КПД - универсальный показатель, характеризующий микрокриогенные системы независимо от их типа и температурных условий работы и отражающий степень приближения к идеальному в термодинамическом отношении процессу получения холода. В связи с этим использование эксергетического КПД в качестве критерия оценки термодинамического совершенства микрокриогенных систем приобретает большой практический смысл, так как дает непосредственное представление о достигнутом уровне и резервах повышения эффективности.

На практике для сравнения энергетических показателей систем с потреблением электроэнергии часто используют понятие относительной мощности n = N / Q_о. Соответствующий эксергетический показатель (относительная приведенная мощность)

n_е = N / Q_е = 1/ h_е

Аналогично определяют относительные приведенные массовые и габаритные характеристики

m_е = M / Q_е n;v_е = V / Q_е

где: M и V - масса и объем системы.

Для оценки надежности работы систем обычно применяют следующие показатели: наработку на отказ, назначенный ресурс, средний срок сохраняемости.

Иногда используют такие показатели, как гамма-процентный ресурс, вероятность безотказной работы и др.

Классификация микрокриогенных систем. Широкая область применения, многообразие требований и условий эксплуатации, а также различные потенциальные возможности известных методов криогенного охлаждения при миниатюризации криогенных установок обусловили появление большой номенклатуры микрокриогенных систем разных типов и конструкций. В настоящее время нет общепринятой классификации микрокриогенных систем. Это объясняется как недостаточной разработкой научно обоснованных методов систематизации и классификации криогенных установок, так и большим числом признаков, по которым можно и необходимо классифицировать микрокриогенные системы. Предлагаемая ниже классификация охватывает наиболее важные для практики особенности микрокриогенных систем, имеющие принципиальное значение при выборе того или иного типа системы. В основу классификации положены следующие основные признаки: базовый цикл или метод охлаждения, температура криостатирования, холодопроизводительность.

В зависимости от применяемого цикла или метода охлаждения микрокриогенные системы подразделяются на:

радиационные системы охлаждения (на основе лучистого теплообмена с окружающей средой);

системы с использованием эффекта дросселирования реальных газов;

системы с использованием теплоты испарения и сублимации криогенных веществ;

системы с применением газовых криогенных машин (ГКМ) с внутренней регенерацией тепла, работающих по циклам Стирлинга, Вюлемье, Солвея (Гиффорда - Мак-Магона) и их модификациям;

системы на базе циклов Клода и Брайтона с поршневыми машинами и турбомашинами;

системы с применением электронных охладителей;

комбинированные системы с использованием нескольких методов охлаждения.

Радиационные системы охлаждения относятся к категории пассивных, так как работают без потребления энергии; дроссельные установки с запасом сжатого газа в качестве источника энергии, а также системы с использованием теплоты испарения или сублимации криогенных веществ (т. е. жидкостные и твердотельные) - к категории разомкнутых; остальные типы систем, включая электронные охладители, называют замкнутыми.

По температуре криостатирования большую часть микрокриогенных систем можно отнести к одной из четырех групп:

системы, работающие на азотном уровне 80 К;

системы, работающие на неоновом уровне 30 К;

системы, работающие на водородном уровне 20 К;

системы, работающие на гелиевом уровне 4,5 К.

Необходимо отметить, что наряду с установками на указанные классические уровни криостатирования, в настоящее время начинают широко применять микрокриогенные системы с более высокими температурами охлаждения (100К и выше). Эти установки можно по-видимому выделить в отдельную группу.

По величине полезной холодопроизводительности классифицировать системы довольно трудно. Можно лишь отметить, что полезная холодопроизводительность известных микрокриогенных систем близка к одному из следующих значений: 0,5; 1; 2; 3; 5; 10; 20; 50; 150 Вт. Большие значения характерны для систем с азотным уровнем охлаждения, меньшие - для систем с гелиевым, водородным и неоновым уровнями. Например, холодопроизводительность микрокриогенных систем на гелиевом уровне обычно не превышает 2,5 Вт.

3. Схемы и конструкции дроссельных микроохладителей.

Многообразие условий применения дроссельных микрокриогенных систем привело к созданию большого числа схемных и конструктивных решений микроохладителей. По принципиальной схеме большую часть конструкций дроссельных микроохладителей относится к одной из следующих основных групп (рис. 1):

однокаскадные, в том числе с простым и двукратным (параллельным или последовательным) дросселированием;

многокаскадные с предварительным охлаждением (подохлаждением) газа при постоянной или изменяющейся по длине температуре холодной стороны промежуточного теплообменника, в том числе микроохладители с применением термоэлектрических каскадов.

Микроохладители могут существенно различаться конструкцией основных узлов - теплообменника и дроссельного устройства. Чаще всего применяют одно- и многорядные поперечно-противоточные теплообменники (схема Хэмпсона) и противоточные типа труба в трубе (схема Линде). Формы используемых теплообменников также различные: цилиндрическая, коническая, плоская.

Теплообменники Хэмпсона изготовляют обычно из капиллярных трубок диаметром 0,2 - 1,0 мм с чередованием оребренных и неоребренных рядов; материал трубок - коррозионно-стойкая сталь,

никель или сплавы на его основе. Оребрение выполняют из медной проволоки диаметром 0,05 - 0,20 мм, спирально навитой на трубки с определенным шагом.

Разработаны микроохладители с теплообменниками, отдельные секции которых отключаются в процессе работы.

В качестве дроссельного устройства (рис. 2) используют микроотверстия (дюзы), пористые металлокерамические таблетки, капиллярные трубки определенной длины («капиллярный» дроссель), отверстия, автоматически перекрываемые в процессе работы полностью или частично (регулируемые дроссели), а также трубки теплообменника («распределенный» дроссель).

По характеру рабочего процесса микроохладители могут быть:

быстродействующими (с малым пусковым периодом);

с автономным режимом работы, т. е. возможностью поддержания рабочей температуры после отключения питания рабочим газом (за счет жидкого хладагента, накопленного в полости охлаждаемого объекта);

с регулированием холодопроизводительности автоматическим изменением расхода хладагента в зависимости от тепловой нагрузки.

В реальных условиях выбор той или иной конструктивной схемы микроохладителя и его основных узлов обусловлен техническими требованиями к микрокриогенной установке и имеющимися технологическими возможностями

Однокаскадные микроохладители с простым дросселированием. Микроохладители этой группы, применяемые обычно в дроссельных микрокриогенных системах с относительно длительным рабочим периодом, отличаются максимальной простотой конструкции и высокой технологичностью в изготовлении. При всем разнообразии вариантов разработанных микроохладителей их основные особенности можно достаточно полно рассмотреть на ряде конкретных примеров.

Рис. 3. Микроохладитель с противоточным теплообменником.

Дроссельный микроохладитель, применяемый для охлаждения фотоприемников и других миниатюрных приборов показан на рис. 3. Противоточный теплообменник охладителя построен по схеме труба в трубе и представляет собой свитую в спираль капиллярную трубку 2, размещенную во внешней трубке 3 с запаянным концом. Трубка 2 канала высокого давления играет одновременно роль распределенного дросселя. В низкотемпературной зоне к теплообменнику припаян наконечник 4, который через слой теплопроводящей пасты 5 (смесь масла или клея с порошком металла) контактирует с дном охлаждаемого прибора 6. Конструкция штуцера 1 позволяет использовать микроохладитель как в замкнутой, так и в разомкнутой системе охлаждения.

Известно большое число микроохладителей подобной конструкции, в том числе и с прямой внутренней трубкой; однако, несмотря на их компактность и простоту конструкции, они не нашли широкого применения из-за невысокой эффективности теплообмена в канале низкого давления и наличия значительного температурного перепада между прибором и хладагентом в испарителе. Кроме того, для этой конструкции характерны значительные гидравлические потери в канале обратного потока, т. е. повышенная температура криостатирования.

Рис. 4. Микроохладитель с поперечно - противоточным теплообменником.

Необходимо отметить, однако, что поскольку в описанном микроохладителе отсутствует непосредственный контакт хладагента с охлаждаемым прибором, эта схема позволяет существенно снизить требования к точности геометрических размеров прибора и его герметичности.

Этой особенностью отличается и конструкция, представленная на рис. 4. Здесь применен двухрядный поперечно-противоточный теплообменник Хэмпсона с оребрением трубки внутреннего ряда. Обе трубки объединяются с одного конца штуцером 1, а с другого коллектором 5, в котором выполнено дроссельное отверстие. Корпус 6 с дном 7 и стержень 4 формируют канал обратного потока; тепловой контакт с охлаждаемым прибором 8, как и в предыдущем случае, обеспечивается с помощью теплопроводящей пасты 9. На входе в теплообменник установлен пористый металлокерамический фильтр 2, предохраняющий каналы микроохладителя от попадания твердых частиц.

Преимущество конструкции - возможность достижения в полости расширения хладагента (в испарителе) температуры, близкой к точке кипения хладагента при давлении на выходе из микроохладителя, так как гидравлические потери в канале низкого давления теплообменника, определяющие давление в полости расширения, малы. Теплообменник отличается высокой эффективностью, которая может быть повышена размещением между внешней неоребренной трубкой 3 и корпусом 6 уплотнительной пленки из эластичного материала (например, лавсана). Однако перепад температур в зоне контакта охладителя и прибора в этой схеме также достаточно велик (до 10 К).

Усовершенствованной модификацией микроохладителя, свободной от указанного недостатка, является охладитель, в котором между цилиндрической поверхностью корпуса 6 и теплоизолирующим сосудом охлаждаемого прибора установлено уплотнение, что позволяет обеспечить попадание хладагента непосредственно на торец охлаждаемого прибора. Введение уплотнения потребовало, повышения точности изготовления внутренней трубы теплоизолирующего сосуда.

Дальнейшим развитием данной конструкции явилось создание ряда микроохладителей, в которых корпусом теплообменника служит держатель охлаждаемого элемента прибора или внутренняя труба теплоизолирующего сосуда, что, по-видимому, является предельно эффективным техническим решением. В сочетании с рядом мер по интенсификации теплообмена (за счет оребрения, использования профилирующих нитей, уплотняющих пленок и др.) эта конструктивная схема позволяет создавать весьма компактные и экономичные микроохладители.

Рис. 5. Микроохладитель с каналом продувки и накопителем.

Одна из таких конструкций показана на рис. 5. Микроохладитель работает в разомкнутой системе охлаждения и имеет специальное устройство - канал продувки для быстрого восстановления работоспособности в случае засорения. Трубки теплообменника - внутренняя (оребренная) 8 и внешняя 4 - объединены коллектором 5. В трубке 6, впаянной в коллектор, выполнено дроссельное отверстие а. Другой конец трубки 6 выведен к штуцеру 1 и может быть соединен специальным каналом с электропневмоклапаном или другим запирающим устройством системы охлаждения, перекрытым при работе микроохладителя. В случае необходимости это устройство соединяет трубку 6 с атмосферой; при этом часть хладагента высокого давления, минуя дроссель, выбрасывается в атмосферу, быстро отогревая и очищая каналы теплообменника и зону дроссельного отверстия. Между навивкой теплообменника и держателем 8 размещена профилирующая лавсановая нить 9, способствующая интенсификации теплообмена и предотвращающая перетечку газа обратного потока из холодной зоны в теплую помимо теплообменника. Особенностью конструкции микроохладителя является также наличие накопителя 10, обеспечивающего автономный режим работы прибора после отключения подачи сжатого хладагента. Накопитель представляет собой пористую набивку из стекловолокна, аккумулирующую жидкость в процессе работы микроохладителя. В отличие от предыдущих конструкций охлаждаемый элемент 7 вынесен из вакуумной полости сосуда 2 в газонаполненный объем, ограниченный держателем 8 и сосудом.

На рис. 3 - 5 показаны конструкции микроохладителей, предназначенных для охлаждения миниатюрных, точечных объектов (типа полупроводникового элемента фотоприемника или лазера), размещенных в непосредственной близости от дросселя, что позволяет выполнить микроохладитель и прибор в виде единого достаточно простого зделия. В случае крупногабаритных объектов охлаждения, когда требуется введение специального теплообменника для передачи холода от хладагента к массе охлаждаемого изделия, или при значительном расстоянии между микроохладителем и прибором конструкция устройства, естественно, усложняется, однако технические решения и особенности основных узлов микроохладителя - теплообменника и дросселя - остаются идентичными рассмотренным.

Быстродействующие микроохладители. Принципиальная возможность достижения в дроссельных микрокриогенных установках весьма малых (до нескольких секунд) пусковых периодов и потребность ряда отраслей техники в глубокоохлаждаемых приборах, способных быстро выходить на рабочий режим, обусловили разработку значительного числа быстродействующих дроссельных микроохладителей. Конструкции микроохладителей этого типа достаточно специфичны.

В большинстве случаев микроохладители с малым временем выхода на режим не требуют специальной тепловой изоляции, так как большая часть их холодопроизводительности в период пуска затрачивается на снижение температуры охлаждаемых элементов конструкции, а не на компенсацию теплопритоков. В стационарном режиме связанное с отсутствием изоляции увеличение теплопритоков из окружающей среды компенсируется со значительным запасом избыточной холодопроизводительностью микроохладителя. При конструировании быстродействующих микроохладителей и приборов на их основе большое внимание уделяют уменьшению теплоемкости охлаждаемых узлов рименением материалов с малой удельной теплоемкостью и миниатюризацией деталей; в частности, при этом весьма важен правильный выбор размеров теплообменника, так как увеличение поверхности теплообмена сопряжено с ростом охлаждаемой массы.

Поскольку уменьшение пускового периода микроохладителя осуществляют главным образом увеличением расхода хладагента, нередко для нейтрализации отрицательного влияния большого расхода используют необычные по форме теплообменники - конические и плоские (дисковые). Такие теплообменники имеют малое гидравлическое сопротивление обратному потоку и дают возможность уменьшить теплоемкость охлаждаемой массы конструкции; во многих случаях микроохладители плоской формы удобнее компоновать в аппаратуре.

Конструктивная схема быстродействующего конического микроохладителя, разработанного фирмой «Химатик» (Англия), приведена на рис. 6. Низкотемпературные узлы микроохладителя и охлаждаемого электронного прибора выполнены из материалов с малой удельной теплоемкостью, что наряду с оптимизированной формой теплообменника (конус с углом 90°) позволило получить при работе на аргоне время выхода на режим менее 2 с при давлении 40 МПа, при этом фоточувствительные элементы охлаждаются за 4 с.

Рис. 6. Быстродействующий конический микроохладитель: 1 - уплотнение; 2 - фильтр; 3 - теплоизоляции; 4 - трубка теплообменника; 5 - вакуумный сосуд; 6 - входные окна; 7 - охлаждаемый элемент; 8 - подложка.

Рис. 7. Быстродействующие конические микроохладители с двукратным последовательным (а) и параллельным (б) дросселированием.

Несмотря на указанные меры по снижению гидравлических потерь в канале обратного потока быстродействующего теплообменника, перепад давлений в канале достаточно большой, что приводит к существенному росту температуры за дросселем. Этот недостаток исключают схемы с двукратным дросселированием.

На рис. 7, а) показана конструкция быстродействующего микроохладителя, выполненного по схеме с последовательным двукратным дросселированием. Микроохладитель имеет два дроссельных узла: первый в виде распределенного дросселя, роль которого выполняют капиллярные трубки 2 и 3 теплообменника, и второй в виде микроотверстия в в дне корпуса 5. Хладагент высокого давления после расширения в первом дросселе до некоторого промежуточного давления, определяемого гидравлическим сопротивлением теплообменника, разветвляется на два потока: большая часть образовавшейся за дросселем парожидкостной смеси хладагента направляется в канал низкого давления теплообменника; остальной поток дополнительно расширяется во втором дросселе и подается к охлаждаемому объекту 6. Хотя эта (меньшая) часть потока практически полностью исключается из рекуперативного теплообмена, использование подобной схемы микроохладителя оправдано тем, что обеспечивается температура охлаждения, равная температуре кипения хладагента при атмосферном давлении. Кроме того, схема позволяет легко транспортировать охлаждающую парожидкостную смесь на достаточно большое расстояние от теплообменника, в том числе и при наличии зазора между микроохладителем и объектом охлаждения; в этом случае микроохладитель называют брызгающим.

Коническая форма теплообменника способствует более плотнму прилеганию его к корпусу 5; угол конуса (около 4°) выбран из условия максимального выравнивания линейной скорости обратного потока хладагента. Стержень 4 изготовлен из материала с малыми теплопроводностью и теплоемкостью.

Главная особенность микроохладителя с двукратным параллельным дросселированием (рис. 7, б) - наличие специальной транзитной трубки 7, расположенной между витками основного теплообменника 1. Гидравлические сопротивления трубок теплообменника и транзитной трубки подобраны таким образом, чтобы через транзитный канал проходило 5-10% общего расхода хладагента. Дополнительный теплообменник (часть транзитной трубки 7) предназначен для увеличения относительной доли жидкости в потоке за дросселем транзитного канала. Основной теплообменник микроохладителя конической формы, дроссель транзитного канала капиллярный, основной дроссель распределенный. Как и предыдущий, рассмотренный микроохладитель относится к группе брызгающих.

Существенного уменьшения пускового периода микроохладителя можно достичь использованием двухпоточной схемы с различными хладагентами. Существует микроохладитель, работающий в пусковом режиме на аргоне и двуокиси углерода, а в стационарном - на хладоне. Микроохладитель рассчитан на короткое время работы и обеспечивает выход на температурный уровень 200К за 1 с.

Разработан ряд других конструкций быстродействующих микроохладителей, в том числе с коническими и плоскими теплообменниками, а также со специальными пусковыми секциями, отключаемыми после пуска микроохладителя; это позволяет повысить экономичность его работы в стационарном режиме.

Микроохладители с регулированием хладопроизводительности.Существует возможность резкого улучшения энергомассовых характеристик микрокриогенных систем дроссельного типа, особенно быстродействующих, за счет исключения так называемой избыточной холодопроизводительности, т. е. регулирования холодопроизводительности по величине реальной тепловой нагрузки на микроохладитель в процессе работы установки. Наиболее эффективно решение этой задачи созданием микроохладителей с автоматической регулировкой расхода хладагента через их дроссельные устройства. Как и всякая автоматическая система, регулятор расхода включает чувствительный элемент (датчик), выдающий сигнал на изменение расхода или давления, и исполнительный элемент.

В качестве датчиков - чувствительных элементов систем регулирования холодопроизводительности - применяют термопары, полупроводниковые терморезисторы, газовые термометры, а также датчики, принцип действия которых основан на существенном различии коэффициентов температурного расширения разных материалов. Роль исполнительного элемента выполняет обычно либо коническая игла, перемещающаяся в дроссельном отверстии и изменяющая этим

его проходное сечение, либо устройство, отключающее микроохладитель от магистрали высокого давления по командам системы регулирования (электропневмоклапан) или изменяющее величину давления (редуктор).

На рис. 8 и 9 показаны две модификации микроохладителя с системой автоматического регулирования холодопроизводительности, основанной на использовании своеобразных по конструкции миниатюрных газовых термометров.

В первом варианте (рис. 8) игла 7 вставлена в отверстие стакана 8, который соединен с корпусом 9 дроссельного узла; конус иглы частично перекрывает дроссельное отверстие а. Внутри полого сердечника 10 теплообменника 2 размещен сильфон 1 со стержнем 6, приводящим в действие иглу 7. Пружина 5 предотвращает колебания стержня и иглы. За дроссельным устройством в зоне охлаждения находится чувствительный элемент - баллончик 4, соединенный трубкой 3 с полостью сердечника 10, которая заполнена управляющим газом.

При работе микроохладителя в режиме избыточной холодопроизводительности баллончик 4 интенсивно охлаждается сжиженным хладагентом, накапливающимся в зоне за дросселем; в результате давление внутри баллончика и в полости сердечника 10 снижается, сильфон растягивается, и стержень 6 перемещает иглу, частично закрывая дроссельное отверстие.

В другом варианте конструкции (рис. 9) в качестве чувствительного элемента использован герметичный микросильфон 1 с управляющим газом. Сильфон размещен в зоне охлаждения, и при избытке жидкости давление газа внутри сильфона снижается, что приводит к перемещению его торца 2 и иглы 3. Сильфон имеет тепловой контакт со стержнем 5 теплообменника 6 и находится на небольшом расстоянии от его холодного конца, поэтому перемещение торца сильфона начинается при температуре примерно на 30К выше температуры кипения хладагента. Таким образом, устройство увеличивает расход газа через дроссельное отверстие в трубке 4 несколько раньше момента полного испарения жидкости в зоне охлаждаемого объекта, что обеспечивает стабильность температуры криостатирования.

Дата добавления: 2015-07-26; просмотров: 949; Нарушение авторских прав

Мы поможем в написании ваших работ!