Криорефрижераторы Стирлинга (20-80 К, до 8000 Вт)

Система с реконденсацией циркулирующего криоагента Рециркуляционная система с пост. потоком жидк. криоагента Рециркуляционная газовая система охлаждения

   Существуют три основных типа компоновки криорефрижераторов на базе цикла Стирлинга, которые применяются в высокопроизводительных системах охлаждения с замкнутым циклом:

   • Система с реконденсацией циркулирующего криоагента. Позволяет достичь температурного уровня 65 К при использовании в качестве криоагента жидкого азота, или 26 К при использовании неона. Принцип действия состоит в повторном ожижении паров циркулирующего криоагента, часть которого испаряется при отборе тепла от охлаждаемого объекта. Наилучшим образом подходит для использования в больших заливных системах. Холодопроизводительность до 8000 Вт при 77 К (N₂) или 1120 Вт при 36 К (Ne).

   • Рециркуляционная система с постоянным потоком жидкого криоагента. Позволяет достичь температурного уровня 65 К. Обычно в качестве криоагента в замкнутом цикле используется жидкий азот. Холодопроизводительность до 7400 Вт при 77 К. Походит для использования в проточных системах охлаждения жидким криоагентом.

   • Рециркуляционная газовая система охлаждения. Двухступенчатая система позволяет одновременно достигать температур 20 и 80 К на разных ступенях. В качестве криоагента используется сжатый газообразный гелий. Холодопроизводительность до 200 Вт при 20 К и 1600 при 80 К. Одноступенчатая система позволяет достигать холодопроизводительности до 4000 Вт при 80 К. Подходит для систем термоциклирования и приложений, где нужна максимальная гибкость компоновки системы охлаждения.

top

Система с реконденсацией циркулирующего криоагента

Принцип действия реконденсационного криорефрижератора на базе цикла Стирлинга состоит в повторном ожижении паров циркулирующего криоагента (азота или неона), часть которого испаряется при отборе тепла от охлаждаемого объекта.

Наилучшим образом подходит для использования в традиционных заливных системах, в том числе большого объема.

Испаряющийся в криостате криоагент (азот или неон) под действием естественной конвекции по криогенному трубопроводу с вакуумной изоляцией попадает в криорефрижератор, где он реконденсируется до жидкого состояния и под действием силы тяжести стекает по другому трубопроводу обратно в заливной криостат.

Конструкция такой системы должна обеспечивать беспрепятственное движение испаряющегося криоагента в сторону рефрижератора и и его жидкой фракции обратно. Конфигурация криостата должна позволять жидкому криоагенту попадать к охлаждаемому объекту. Кроме того, должен обеспечиваться отвод кипящего криоагента от объекта с целью предотвращения возникновения теплых зон и, соответственно, снижения эффективности охлаждения. Для достижения температур ниже 77 К, давление над жидкой фазой криоагента удерживается ниже атмосферного — до 0,2 атм для 65 К. При использовании в качестве криоагента неона — до 0,5 атм для 26 К.



Температура криоголовки криорефрижератора автоматически постоянно контролируется. Если температура снижается, то снижается и производительность рефрижератора, и, наоборот. Это компенсирует возможные флуктуации тепловой нагрузки в криостате.

В криоголовку встроен небольшой нагреватель для предотвращения выпадения твердой фазы в конденсируемом криоагенте — он должен быть только в жидком состоянии. Управление системой — полностью автоматическое и не требует вмешательства оператора.

 
Технические характеристики

Система с реконденсацией циркулирующего криоагента (азот)
Модель	Холодопроизводительность, Вт		Поток криоагента, л/мин.	Потребляемая мощность, кВт		Охлаждающая вода (15 С), л/мин.
	при 65 К	при 77 К		при 65 К	при 77 К
LPC-1 RL	700	1000	-	12	11	13
LPC-2 RL	1400	2000	-	24	22	25
LPC-4 RL	2800	4000	-	48	44	50
LPC-8 RL	5600	8000	-	96	88	100

Система с реконденсацией циркулирующего криоагента (неон)
Модель	Холодопроизводительность, Вт		Поток криоагента, л/мин.	Потребляемая мощность, кВт	Охлаждающая вода (15 С), л/мин.
	при 26 К	при 36 К
LPC-1T RL	105	140	-	11	13
LPC-2T RL	210	280	-	22	25
LPC-4T RL	420	560	-	45	50
LPC-8T RL	820	1120	-	90	100

top

РЕЦИРКУЛЯЦИОННАЯ СИСТЕМА С ПОСТОЯННЫМ ППОТОКОМ ЖИДКОГО КРИОАГЕНТА



Данная система отбирает тепло от охлаждаемого объекта и переносит его с помощью жидкого криоагента — жидкого азота, циркулирующего в замкнутом цикле. Система включает в себя криогенератор Stirling и насос для прокачивания криоагента по контуру. Данная система особенно эффективна в приложениях, где криогенератор не может быть установлен в непосредственной близости от криостата с охлаждаемым объектом или если эффективности установки с естественной рециркуляцией криоагента (реконденсационного криорефрижератора) недостаточно.

Жидкий азот охлаждается на 10-15 К ниже температуры точки кипения, поэтому теплообмен с охлаждаемым объектом приводит только к повышению температуры жидкости без возникновения кипения и газовых пузырей. Это позволяет быть уверенным, что криостат заполнен только жидкостью и обеспечивает оптимальный теплообмен.

Нагретый жидкий азот после криостата поступает в буферный объем, который работает как тепловой ресивер. После этого нагретый, например, до 69 К жидкий азот поступает в криогенератор Stirling, где снова охлаждается до 65 К. Небольшой регулируемый нагреватель в криоголовке генератора предотвращает появление льда. Переохлажденная жидкость возвращается обратно в криостат.

Второй объем присоединяется параллельно буферу и включает нагреватель для регулирования давления в контуре. Давление может быть установлено на уровне 1-5 бар в случае превышения значения равновесного давления при температуре, установившейся на выходе из криостата, что обеспечивает отсутствие кипения и газовых пузырей в криоагенте. Кроме того, этот объем работает как дополнительная камера для компенсации колебаний плотности криоагента при изменении температуры, например, в случае нагрева криостата.

Температура жидкого криоагента непрерывно автоматически контролируется. Если температура снижается, то снижается и производительность рефрижератора, и, наоборот. Это компенсирует возможные флуктуации тепловой нагрузки в криостате и поддерживается необходимая температура жидкого азота.

Данная система может быть укомплектована оборудованием и контроллером для обеспечения полностью автоматической работы во всем диапазоне температур — от окружающей среды до переохлажденного азота. Обеспечивается автоматическое управление всем циклом процесса — от начального захолаживания до отогрева, с учетом того, что в контуре может находится как жидкий, так и испарившийся азот.

Управление системой полностью автоматическое и не требует вмешательства оператора. Ручное управление некоторыми клапанами может потребоваться только при изменении режима работы.



  Технические характеристики

Рециркуляционная система с постоянным потоком жидкого криоагента
Модель	Холодопроизводительность, Вт		Поток криоагента, л/мин.	Потребляемая мощность, кВт		Охлаждающая вода (15 С), л/мин.
	при 65 К	при 77 К		при 65 К	при 77 К
LPC-1 FF	500	750	10	13	12	13
LPC-2 FF	1100	1700	20	26	24	25
LPC-4 FF	2400	3600	50	53	49	50
LPC-8 FF	5000	7400	100	106	98	100

top

РЕЦИРКУЛЯЦИОННАЯ ГАЗОВАЯ СИСТЕМА ОХЛАЖДЕНИЯ

В данной системе в качестве криоагента используется газообразный гелий под давлением, что позволяет сделать систему более простой и гибкой для пользовательских задач.

Данная система допускает одно- и двухступенчатую компоновки, что позволяет достигать температурного уровня 20 и 80 К одновременно на двух контурах или только до 80 К на одном. Каждый контур содержит спиральный теплообменник и насос для обеспечения циркуляции газообразного гелия. Каждый контур имеет по две гибких трансферных линии (трубопровода) с вакуумной изоляцией — для прямого и обратного потока гелия к охлаждаемому объекту и обратно. Это добавляет дополнительную гибкость системе, поскольку позволяет размещать криогенератор на расстоянии до 10 м от криостата без существенных потерь производительности. В случае двухступенчатой компоновки контур на уровень 80 К может быть использован как тепловой щит для уровня 20 К для достижения последним максимальной холодопроизводительности — как в области охлаждаемого объекта, так и в трансферных линиях.




Управление рециркуляционной газовой системы охлаждения полностью автоматическое. Система достигает необходимого температурного уровня и, при необходимости, может быть дополнена контроллером для фиксации и удержания нужной пользователю температуры.

В отличии от жидкостных систем газовая система охлаждения может многократно нагреваться и захолаживаться без дополнительных процедур, что позволяет ее успешно использовать в термоциклических приложениях, где температурные уровни меняются достаточно быстро, и использование, таким образом, жидкостных систем неоптимально.

Технические характеристики

Рециркуляционная двухступенчата газовая система охлаждения
Модель	Холодопроизводительность, Вт		Поток газообразного гелия при 20 бар, л/мин.	Потребляемая мощность, кВт	Охлаждающая вода (15 С), л/мин.
	20 K/80 K	30 K/80 K
GPC-1D	50/400	90/400	13	13	13
GPC-2D	100/800	180/800	25	22	25
GPC-4D	200/1600	360/1600	50	45	50

Рециркуляционная одноступенчатая газовая система охлаждения
Модель	Холодопроизводительность, Вт (при 80 К)	Поток газообразного гелия при 20 бар, л/мин.	Потребляемая мощность, кВт	Охлаждающая вода (15 С), л/мин.
GPC-1S	1000	13	11	13
GPC-2S	2000	25	22	25
GPC-4S	4000	50	45	50

Графики зависимости холодопроизводительности систем GPC от температуры

top