Рассмотрены серийные гелиевые ожижители и реконденсаторы компании PRIDE Cryogenics: серии KDHR, I-Liquefier и KDHRR. Приведены схемы систем, зависимости скорости сжижения от давления на входе, данные о времени выхода на режим и энергопотреблении. Показана возможность автономной работы без подвода жидкого азота. Дополнительно рассмотрены вопросы вакуумной изоляции и испытаний криогенных установок с использованием детектора утечки гелия и криогенных клапанов.
Введение
Стоимость высокочистого гелия постоянно растёт, поэтому системы рекуперации, очистки и повторного сжижения становятся экономически оправданными. PRIDE Cryogenics предлагает широкую гамму криогенных установок: от компактных передвижных ожижителей до стационарных систем производительностью до 200 л/сутки жидкого гелия. Все установки используют криорефрижераторы в качестве источника холода.
Для обеспечения минимальных теплопритоков ожижители оснащаются вакуумной изоляцией: внутренний сосуд, аналог сосуда Дьюара для длительного хранения криожидкостей, помещается в наружный кожух с вакуумом 10⁻⁴…10⁻⁶ Па. При сборке таких систем важно учитывать герметичность соединений, качество вакуумной арматуры и совместимость с криогенными клапанами.
Конструктивные схемы
На рис. 3 приведена принципиальная схема установки KDHR15 Helium Reliquefier. Она состоит из холодного блока (A), криокомпрессора KDC6000V (B), устройства заказчика, например PPMS (C), подъёмной рамы (D) и блока управления (E).
Испаряющийся гелий из криостата поступает в реконденсатор, где конденсируется на криорефрижераторе KDE418SA и самотёком возвращается в криостат по трубке из нержавеющей стали. Для управления потоками используются криогенные клапаны, включая запорные клапаны с пневмоприводом, способные работать при температуре 4 K.
Для периодической регенерации системы предусмотрена арматура с вакуумным затвором, который перекрывает вакуумные магистрали. Для более высоких производительностей используется KDHR30 с двумя криорефрижераторами KDE418SA, обеспечивающий реконденсацию до 40 л/сутки при вибрации не более ±2 мкм.
Вакуумная система таких установок включает турбомолекулярный вакуумный насос для откачки изоляционного объёма после сборки. Проверка вакуумной системы на герметичность производится методом sniffing с помощью детектора утечки гелия с чувствительностью до 10⁻¹² м³·Па/с.
Анализ производительности
В каталоге приведены зависимости скорости сжижения от давления на входе, обычно в диапазоне 1…10 psi. Например, для KDHRR40 при 5 psi скорость составляет 36 л/сутки, а при 10 psi – 40 л/сутки. Для KDHRR60 с тремя криорефрижераторами значения составляют 54 и 60 л/сутки соответственно.
| Модель | Число криорефрижераторов | Скорость при 10 psi, л/сутки | Энергопотребление, кВт | Объём девара, л |
|---|---|---|---|---|
| I-Liquefier20 | 1 (KDE415SA) | 20 | 7,2 / 6,5 | 150 |
| I-Liquefier40 | 2 (KDE415SA) | 40 | 14,4 / 13,0 | 200 |
| KDHRR80 | 4 (KDE415SA) | 80 | 29 / 26 | 500 |
| KDHRR200 | 10 (KDE415SA) | 200 | 72 / 65 | 1000 |
Важно отметить, что все системы используют один и тот же тип криорефрижератора KDE415SA, что унифицирует обслуживание. Время выхода на режим сжижения для всех моделей составляет <4 часов. Для осушения азота и предварительного охлаждения может применяться криогенная установка для азота, например генератор азота с последующим охлаждением до 77 K. В составе комплекса также может использоваться термовакуумная камера для испытаний образцов при криогенных температурах.
Очистка гелия
Перед сжижением требуется очистка гелия до чистоты >99,999%. В каталоге представлены два типа гелиевых очистителей: с холодным источником на основе криорефрижератора и на жидком азоте. Первый имеет производительность до 10 нм³/ч, давление 2,5…5 МПа и время регенерации ≤6 ч.
Схема очистителя на рис. 5 включает адсорберы, работающие при температуре 77 K, и систему регенерации с нагревом. Для переключения потоков применяются криогенные вентили и криогенные клапаны с электропневматическим управлением.
Заключение
Криогенные установки сжижения и регенерации гелия PRIDE Cryogenics позволяют существенно снизить эксплуатационные расходы лабораторий и производств, использующих жидкий гелий. Модульная конструкция даёт возможность наращивать производительность от 15 до 200 л/сутки, а передвижные ожижители I-Liquefier не требуют отдельного транспортного сосуда Дьюара.
Надёжность работы обеспечивается комплексным подходом: применением криогенных клапанов, вакуумных постов, автоматических вакуумных систем и регулярной проверкой вакуумной системы на герметичность с помощью детектора утечки гелия. Для контроля чистоты гелия в контуре может быть интегрирован квадрупольный масс-спектрометр, позволяющий непрерывно отслеживать наличие примесей.