Криогенная камера. Оборудование. Криосауна в домашних условиях

Компания Криотрейд Инжиниринг разрабатывает и производит вакуумные камеры с интегрированными криогенными экранами и столиками для испытаний материалов при низких температурах. Камеры могут использоваться для имитации космического пространства.

Криогенные экраны вакуумной камеры могут охлаждаться как потоком жидкого азота или гелия, так и криогенными газовыми машинами, работающими по замкнутому циклу Гиффорда-МакМагона или пульсационной трубы. Проточные криогенные экраны могут быть дополнены криогенными емкостями, азотной или гелиевой ожижительной станцией для реализации непрерывной работы 24/7. Выбор конструкции криогенного обеспечения вакуумной камеры зависит от конкретных условий и задач Заказчика.

Ниже представлены некоторые проекты, выполненные нашей компанией:

1. «Сухая» система криогенных экранов для испытаний материалов на воздействие вакуума, температуры и ЭМИ Солнца. Поставлена в АО «Информационные спутниковые системы», г. Железногорск.

Описание:

Система из двух «сухих» криогенных экранов и двух КГМ Гиффорда-МакМагона устанавливается в вакуумную камеру Заказчика. Внешний экран имеет температуру 30-40 К при использовании проточного азотного экрана Заказчика (его температура 80-110 К) и температуру 70-120 К без использования вышеупомянутого экрана. Внешний экран охлаждается первыми ступенями КГМ, используется для снижения теплопритока к внутреннему экрану и имеет размеры Ø700х700 мм. Внутренний экран представляет собой охлаждаемый вторыми ступенями КГМ медный столик размерами 300х400 мм для размещения и охлаждения объектов испытания (далее ОИ) и экрана столика высотой 120 мм для защиты от нагрева излучением и создания изотермической зоны для ОИ. Внутренний экран охлаждается до температуры 3,0-4,5 К (в зависимости от температуры внешнего экрана и тепловыделений ОИ). При нулевых тепловыделениях ОИ возможно достижение температуры в 3,0К, тогда как максимальные тепловыделения ОИ для испытаний при температуре 4.5 К не должны превышать 2 Вт. Температура внутреннего экрана регулируется с помощью нагревателей и температурного контроллера LakeShore в диапазоне 4,5-120 К с точностью поддержания ± 1 К.

Принципиальная схема поставленного устройства и представлена ниже.

Основные характеристики системы:

• Размеры внешнего экрана: Ø700х700 мм
• Размеры внутреннего экрана: 310х410х120 мм
• Температура внешнего экрана: 30-120 К (не регулируется, получается из теплового баланса)
• Температура внутреннего экрана: 3,0-300 К (регулируется)
• Максимальные тепловыделения объекта испытания на уровне 4,5 К: не менее 2 Вт
• Точность поддержания температуры внутреннего экрана:
• ± 1 К - заявленная
• ± 0,3 К - достигнутая
• Время выхода криоэкранов на минимальную температуру: 9 ч
• Энергопотреблени е КГМ: 2х7,2 кВт (3ф х 380В, 50 Гц)
• Расход охлаждающей воды для КГМ: 2х7 л/мин (4-28°С)
• Возможность устанавливать скорость охлаждения/нагре ва внутреннего экрана в диапазоне 0-1 К/мин

2. «Проточная» система криогенных экранов для имитации космического пространства. Поставлена в ФГУП ЦНИИмаш, г. Королев.

Описание:

В рамках выполнения проекта поставлены и запущены: гелиевый ожижитель LHeP 60 (CRYOMECH ) производительнос тью по жидкому гелию 60 л в сутки, система проточных криогенных экранов, устанавливаемая в вакуумную камеру Заказчика.
Система проточных криогенных экранов состоит из внешнего экрана размерами 800х900х700 мм и внутреннего экрана размерами 400х400х300 мм. Система предназначена для имитации космического пространства внутри внутреннего экрана, для этой цели внутренний экран по ТЗ должен охлаждаться до 20 К. Внешний экран служит для снижений теплопритока к внутреннему. В стационарном режиме оба экрана охлаждаются гелием, подающимся из ожижителя, последовательно (сначала парожидкостная смесь гелия проходит теплообменник внутреннего экрана, затем газообразный гелий поддерживает температуру внешнего экрана). Температура внешнего экрана в стационарном режиме принимает значения в диапазоне 70-120 К, температура внутреннего экрана в стационарном режиме (в балансе по расходу с производительнос тью гелиевого ожижителя) равна 20 К с точностью ±1 К.

Принципиальная схема системы приведена ниже.

Для снижения потребления гелия на первичное захолаживание экранов от комнатной температуры на обоих криогенных экранах предусмотрены независимые контуры для предварительного захолаживания их жидким азотом.

Внутренний экран состоит из столика с азотным и гелиевым теплообменниками и пассивного криоэкрана, охлаждающегося до 20 К посредством контакта со столиком. Внутренние поверхности экрана зачернены со степенью черноты не хуже 0,9. Столик внутреннего экрана оснащен нагревателем, позволяющим регулировать температуру внутреннего криоэкрана в диапазоне 20-300 К.

Внешний и внутренний экраны снабжены многослойной экранно-вакуумно й теплоизоляцией для снижения потребления криоагентов.

Система имеет возможность работать на накопленном в ожижителе жидком гелии (до 500 л) при меньшей температуре внутреннего экрана (5-10 К) до 80 суток.

Основные характеристики системы:

• Диапазон рабочих температур внутреннего экрана:
• 20-300 К в режиме 24/7
• 5-20 К до 80 суток
• Размеры и масса внешнего экрана: 600х600х600 мм, 56 кг
• Размеры и масса внутреннего экрана: 400х400х300 мм, 21 кг
• Потребление жидкого азота на предварительное захолаживание без установленного объекта испытания: не более 40 л
• Потребление жидкого гелия на захолаживание от температуры 80 К без установленного объекта испытания: не более 7 л
• Потребление жидкого гелия для поддержания температуры внутреннего экрана 20 К (при нулевых тепловыделениях объекта испытаний): не более 55 л/сут
• Точность поддержания температуры:
• ± 5 К - заявленная
• ± 1 К - полученная

Для уточнения стоимости изготовления криовакуумной камеры и ее параметров обращайтесь к менеджерам компании.

• Цели создания системы
• Вербальное описание
• Признаки и свойства системы
• Цель определения системы и ограничения, накладываемые на исследование
• Классификация системы
• Функциональная организация системы
• Структурная организация системы
• Криогенная камера как подсистема более широкой системы
• Взаимодействие системы с окружающей средой
• Теоретико-множественное описание системы
• Графическое представление переходов системы в различные состояния
• Выводы

Цели создания системы :

Многие практически уверены, что такое открытие будет осуществлено. Но что делать тем, кто не успел? Как раз им на помощь можешь прийти криогенная камера для человека.

Вопрос жизни и смерти очень важен для каждого человека, поэтому люди готовы много платить за такой шанс продлить свою жизнь. Инвестиции могут позволить разрабатывать всё более совершенные криогенные камеры и извлекать из этого коммерческую выгоду, что позволит обеспечено жить людям, разрабатывающим данную технологию, а так же они смогут воспользоваться ею в конце своей «первой» жизни. Ещё один несомненный плюс: работа над проектом сильно поможет развитию науки.

Системный анализ позволит представить, разработать создаваемый объект.

Вербальное описание:

• Герметичную область, в которой нужно как можно дольше удерживать низкую температуру;
• Градусник широкого диапазона (от -200 до 0 градусов Цельсия);
• Герметичную крышку
• Измеритель уровня жидкого азота внутри
• Индикатор состояния: использует измеритель уровня жидкого азота и градусник для выдачи сообщений о нарушении нормального режима хранения внутри камеры.

Камера также имеет включатель индикатора и крышку. В общем случае работа с камерой представляется следующим образом: вначале камера крышки открыта, туда заливается определённый объём жидкого азота, затем аккуратно помещается уже охлаждённый до этого до температуры -191 градуса по Цельсию труп; крышку герметично закрывают и нажимают на включатель – это активирует индикатор, который получает данные от градусника и измерителя уровня жидкого азота. Если температура внутри капсулы меньше 190 градусов и уровень жидкого азота выше определённого минимального уровня, то индикатор показывает, что всё в порядке.

Если температура превышена, либо уровень жидкого азота слишком низкий, либо и то и другое одновременно, то индикатор информирует об этом по-разному. При индикации отклонения от нормальных условий хранения, обслуживающий персонал должен выключить индикатор, открыть крышку и долить жидкий азот, либо заменить его, а затем обратно закрыть крышку и включить индикатор. Данный процесс продолжается до тех пор, пока труп не понадобится, либо пока не отпадёт необходимость его хранить. Тогда крышка открывается и достаётся труп (в случае открытия крышки при включённом индикаторе он должен отключаться автоматически).

Криогенная камера должна выполнять следующие функции:

• Сохранять внутри как можно большее время, как можно большую герметичность, особенно низкую температуру и количество жидкого азота.
• Оповещать индикатором состояния о том, что необходимо добавить азота
• Оповещать индикатором состояния о том, что температура достигла опасного уровня

Признаки и свойства системы:

• 1. Представляет собой целостную совокупность элементов. С одной стороны, криогенная камера - целостное образование и, с другой - в ее составе отчетливо могут быть выделены целостные подсистемы и элементы, такие как:
  • герметичная капсула
  • градусник
  • индикатор состояния
  • аккумулятор
  • жидкий азот
  • измеритель уровня жидкого азота
  • контроллер
• 2. Мощность (сила) существенных связей между элементами системы на интервале времени, не равном нулю, больше, чем мощность связей этих же элементов с внешней средой, поэтому криогенная камера является целостным образованием.
• 3. Имеет организацию. Это свойство характеризуется наличием определенной организации, что проявляется в снижении энтропии (степени неопределенности) системы по сравнению с энтропией системоформирующих факторов, определяющих возможность создания системы.
• 4. Система связная (элементы взаимодействуют, обмениваются информацией и энергией и способствуют выполнению определённых функций, которые не свойственны элементам по отдельности);
• 5. Система обособлена от окружающей среды и её функции направлены на минимизацию последствий от взаимодействия с ней;
• 6. Есть связи с окружающей средой в целях обмена ресурсами (аккумулятор, жидкий азот);
• 7. Вся организация системы подчинена общей цели – сохранение тела человека в замороженном состоянии (очень долгое время);
• 8. Криогенная камера имеет свойство Эмерджентности. Эмерджентность предполагает наличие таких качеств (свойств), которые присущи системе в целом, но не свойственны ни одному из её элементов в отдельности.

Цель определения системы и ограничения, накладываемые на исследование:

Предполагается, что система будет находиться при нормальных условиях, и будет обслуживаться людьми. Предполагаем, что единственное неблагоприятное возможное воздействие внешней среды на криогенную камеру является умеренное тепло (в вулкан бросать, кувалдой стучать и т.п. не будем).

Не будем отображать аккумулятор в схемах как источник энергии, который необходимо подпитывать извне, но будем иметь это в виду. Фактически он должен периодически заменяться обслуживающим персоналом.

Классификация системы :

• По виду отображаемого объекта: техническая;
• По виду научного направления: физическая;
• По типу целеустремленности: детерминированная система;
• По сложности структуры и поведения – детерминированная, легко поддается описанию;
• По степени организованности – сильноорганизованная система, все элементы взаимодействуют между собой;
• По генетическому признаку: материальная, искусственная;
• По открытости системы: открытая;
• По числу элементов: малая система (при декомпозиции до второго уровня)
• По типу переменных: с количественными переменными;
• По способу описания: детерминированная;
• По степени определенности функционирования: детерминированная;
• По однородности или разнообразию структурных элементов: разнородная (гетерогенная) - на данном уровне декомпозиции все элементы системы разнородны;
• По состоянию: неравновесная, с оговорками – система стремится к равновесию посредством индикатора, но сама не способна его достичь; этим занимается обслуживающий персонал, который не является частью системы.

Функциональная организация системы:

Основная функция системы – поддерживать содержание трупа при температуре минус 191,1 0C столетиями.

Структурная организация системы:

Представим криогенную камеру в виде чёрного ящика с входом и выходом: ...

Криогенная камера как подсистема более широкой системы:

Взаимодействие системы с окружающей средой:

1. Взаимодействие с обслуживающим персоналом, который может нажимать на включатель индикатора, открывать/закрывать крышку и добавлять жидкий азот внутрь;
2. Взаимодействие с тепловой энергией окружающей среды; Это взаимодействие система пытается свести к минимуму, насколько это возможно. Данное взаимодействие приводит к повышению температуры внутри капсулы.
3. Система получает труп из окружающей среды, без которого её работы бессмысленна
4. Система получает жидкий азот из внешней среды

Графическое представление переходов системы в различные состояния:

Рассмотрим лишь несколько переходов:

Выводы:

Я произвёл системный анализ системы «криогенная камера для человека» в ходе которого раскрылась вся суть системы в целом(на самом верхнем уровне), принципы её работы, состав элементов (подсистем), как эти подсистемы взаимодействуют. Системный анализ системы позволил выявить следующие недостатки:

1. Нужда в обслуживающем персонале
2. Невозможность достижения полной герметичности, что ведёт к необходимости периодически подливать жидкий азот
3. Тела при низкой температуре имеют очень большую хрупкость. Камера без дополнительных усилий не сможет защитить тела внутри себя от резких толчков.
4. Необходимость в периодической смене аккумулятора
5. Что бы долить азот, необходимо производить разгерметизацию, что ведёт к нагреванию жидкого азота, конденсации воды в воздухе вокруг и падение её в капсулу. Так же жидкий азот взаимодействует с кислородом.

Так же данный анализ может быть изучен экспертами различных областей для выявления ошибок, недостатков и сложностей при реализации ещё до декомпозиции следующих уровней.

ИЗОБРЕТЕН ИЯ

Союз Советских

Социалистических

Онт бликовано 15.05.74. Б!оллетень № 18 (5)) .Х(. Кл. Г25d 3/10

Государственный комитет

Совета Министров СССР оа делам изобретений и открытий (53) УДК 621.59 (088.8) Дата опубликован(!я описания 17.04.75 (72) Авторы и зобр етонси я

Н. Н. Пренцлау и Ф, Ф. Менде

Физико-технический институт низких температур (71) Заявитель (54) КРИОГЕННАЯ КАМЕРА

Изобретение относнтся к криогенной технике, преимущественно к области термостатирования при низких температурах, в частности к криогенным камерам для низкотемпературного исследования различных об ьектов.

Известна криогепная камера, содержащая сосуд Дьюара и приставку для образца. Та кяя камера в рабочем состоянии ооращена горловиной вниз, приставка с размещенным на ней объектом охлаждения герметично соединена с горловиной сосуда Дьюара и вместе с кожухом, связаш(ым с горловиной фля!шем, образует вакуумируемый ооьем в зоне размещения исследуемого объекта. Кроме того, B камеру через горловин!у введена трубка, сооб(цающая камеру с хладяге. !том и атмосферой.

Известная камера позволяет осуществлять глубокое охлажде(гие объектов. Для смены объектов необходимо установить камеру горловиной вверх, рязгерметизировать вакуумнруемый объем, отогреть исследуемый объект 1! заменить его новым.

Поскольку приставка для образца и внутренняя трубка горловины сосуда Дьюара ваI yyxI110 соединены при помощи фланца и вакуумного уплотнения, то после.;(омента установки приставки и до момента у!стаиовки камеры горловиной вниз испаряющийся хладагент вытесняет жидкость через трубку, так кяк над уровнем хладагентя создается избыточное давление, Нижний конец трубки при этом находится ниже уровня жидкого хладагентя. Следовательно, необходимо очень быстро закреплять приставку, !устанавливать иссле.(, емый 00 ьеKT и кожух, ОткячиВять Вякуумный объект и размещать камеру горлов гной вниз. Однако для выполнения указанных операций требуется значительное время. В такой камере смену объектов можно осуществлять только после выкипа!ия хладагснта, поскольTIpH разгерметизации BB KI мнруе 5101 о 06 hсма н отогреве объекта O ля>кден(нi камеру нужно устанавливать горловиной ВВерх, но прп этом над уровнем хладяге(тгя также создается избыточное давление, II3-зя чего жидкий хладагент вытесняется через трубку. Для отогрева образца гребуется значительное время. Кроме того, в процессе эксплуатации известную камеру невозможно дозял!ть жндкил(:(Iяд11гент0ъ1, тяк ка!(TIpH, (03B !HÂK Вакуум и руемый объем необходимо разобрать.

Целью изобретения является устранение вытеснения хладагентя нарами из сосуда Дью

Я ра 0 BpeAI8 i . cTHIIoBKH H 0310HbI объектоВ обеспечение возможности заливки камеры ж((дк(!л! хлядягентом В процессе pяооты при положении камеры горловиной вниз. Зто достигается тем, что в камеру введена дополни тельная U-образная трубка, соедiliiil!0»;BI! поЗО лость горловины сосуда Дьюара с;ггмосферой

428168 и проходящая через объем с жидким хлада гентом.

На чертеже показана предлагаемая вакуумная криогенная камера.

На горловине сосуда Дьюара 1 герметично укреплены фланцы 2 и 3. На фланце 2 крепится приставка 4 посредством вакуумного уплотнения 5.

В приставке 4 установлен охлаждаемый объект — резонатор б. К фланцу > при помощи ваку умного уплотнения 7 прикреплен кожух 8. Для предохранения сосуда Дьюара от избыточного давления, возникающего при испарении хладагента, в него введены трубки

9 и 10. Прп этом трубка 9 предохраняет полость от избыточного давления при положении камеры горловиной вниз, т. е. в рабочем положении, а трубка 10 — при положении камеры горловиной вверх, т. е. при установке, отогреве или смене резонаторов.

Патрубок 11 предназначен для откачки вакуумируемого объема. Связь резонатора с внешними устройствами осуществляется через линии связи 12. Линии связи соединены с кож ухом 8 вакуумным уплотнением 18. Резонатор помещен в стакан 14. На приставке 4 можно закреплять не только охлаждаемый резонатор, по и другой охлаждаемый объект.

Камера работает следующим образом.

Сосуд Дьюара 1 устанавливают горловиной вверх и заполняют его жидким хладагентом. Заполнение, можно производить и,после сборки камеры через трубки 9 или 10. Далее крепят пр иставку 4 к фланцу 2 при помощи вакуумното уплотнения 5 и устанавливают резонатор 6. Отвод наро в при этом осуществляют через трубку 10; вытеснения жидкости через трубку 9 не происходит, так как в сосуде не,возникает избыточного да вления над уровнем жидкости.

После установки резонатора б, кожуха 8 и откачки вакуумируемого объема через патрубок 11 камеру устанавливают горловиной вниз. При этом жидкий хладагент заполняет

5 внутреннюю трубк у горловины сосуда Дьюара и полость приставки 4, »а которой установлен охлаждаемый резонатор б в стакане 14 (или другой образец). В указанном положении камеры отвод паров осуществляют через трубl0 ку 9.

Для смены охлаждаемого резонатора необходимо устанавливать камеру горловиной вверх. Хладагент при этом из полости приставки 4 и горловины сосуда Дьюара перетекает в объем с жидкостью, а пары отводятся по трубке 10. Далее разгерметизируют oa«iyумируемый объем, отогревают и меняют резонатор б. При смене резонатора нет необходимости снимать приставку 4. Дозаливку жидким хладагентом камеры при положении ее горловиной вверх производят через трубку 9, а при положении камеры горловиной вниз— через трубку 10.

25 Предмет изобретения

Криогенная камера, выполненная в виде сосуда Дьюара, снабженного горловиной, трубкой для заливки хладагента и дренирования пара при положении камеры горловиной вниз и установленной.на горловине приставкой для образца, отлича>ощаяся тем, что, с целью предупреждения вытеснения хладагента пз сосуда Дьюара во время установки и смены охлаждаемого образца, а также обеспечешгя возможности заливки камеры жидким хладагентом в процессе работы при положении камеры горловиной вниз, в камеру введена дополнительная U-образная трубка, соединяющая полость горловины с атмосферой.

Компания OPERON - мировой лидер в технологии достижения ультранизких температур.

С помощью запатентованной технологии возможна реализация в небольшом объеме температуры -156°C без использования жидкого азота. Все продукты имеют сертификат ISO, CE. Данный патент зарегистрирован в США (US 6, 622, 518 B2) , Германии (101 94 530)...

Криогенные камеры

Длительное воздействие не просто низких, а ультранизких температур – это серьезное испытание для многих материалов. И если речь идет о работе в условиях Крайнего Севера, глубоководных погружениях или аэрокосмических полетах, то для людей важно быть уверенными, что техника выдержит нагрузку и сохранит свою работоспособность на долгое время. Поэтому при производстве самолетов, горных машин, космических аппаратов, а также емкостей для хранения сжиженного газа проводятся испытания воздействием низких температур. Для этого используются криогенные камеры.

Рис.1. Горизонтальная и вертикальная низкотемпературные камеры

Испытания материалов

Современная криокамера позволяет достичь сверхнизких температур. Причем без использования жидкого азота (за счет чего может быть снижена цена на проведение криогенных испытаний). Система регуляции температурного режима позволяет установить любое значение температуры в диапазоне от - 20 до - 165 оС, в зависимости от конструктивных особенностей криогенных камер. Низкотемпературные камеры используются и для кратковременных, и для длительных испытаний материалов и сплавов. В частности исследуются свойства стали и сплавов на основе алюминия, никеля, титана, а также композиционные материалы, различные пластики и материалы-сверхпроводники.

После низкотемпературных испытаний в некоторых материалах, особенно под нагрузкой, могут происходить внутренние структурные изменения. Из-за этого повышается вероятность внезапного разрушения изделий, даже если воздействие холодом носило кратковременный характер. А некоторые материалы, напротив, становятся более прочными и износоустойчивыми.

Криогенная обработка

Доказано, что при воздействии низких температур прочность большинства металлов возрастает в 2-5 раз, прочность пластмасс увеличивается в 8 раз, а стекла – в 12 раз. Помимо прочности у металлов улучшаются режущие свойства. Например, ресурс модульных фрез из стали после криогенной обработки увеличился на 100%. Это показали результаты исследований, проводимых в России.

Криогенные камеры также используют для последующего определения прочности металлов при растяжении и оценки влияния накопленных микроповреждений.

Рис.2. Структура металла ДО и ПОСЛЕ криогенной обработки

Под воздействием низких температур структура материала становится более плотной, а значит, меняются и прочностные, и магнитные, и электрические характеристики. Совершенствование техники получения низких температур и опыт использования холодильных камер позволяют применять холод для улучшения качеств материалов и изделий, используемых в кораблестроении, машиностроении, самолетостроении, ВПК и т.д..