CN103697647B - 一种真空低温恒温器 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种真空低温恒温器，包括：维持真空的真空腔；悬设在真空腔内部的用于盛装第一致冷剂的第一腔(4)，其连接有至少两根用于引入和/或排出流体的第一导管(2)，第一腔(4)下方为冷却区域；悬设在真空腔内部并围绕第一腔(4)设置的用于盛装第二致冷剂的第二腔(5)，第二致冷剂在标准大气压下的沸点高于第一致冷剂，第二腔(5)连接有至少两根用于引入和/或排出流体的第二导管(3)，第二腔(5)能够给第一腔(4)提供外部降温。其中，第二腔(5)与第一腔(4)由真空隔开。本发明具有对沸点低的致冷剂的消耗低，震动小的特点。

Description

一种真空低温恒温器

技术领域

本发明涉及低温技术加工领域，特别涉及一种真空低温恒温器。

背景技术

在科学研究(如表面物理、超导物理)和医学检验(如磁共振成像MRI)中，真空环境和低温环境都是必不可少的。维持低温环境需要使用低温恒温器。低温恒温器通常使用液氮和/或液氦作为冷却介质，而工作方式主要有两种，即连续流动低温恒温器和杜瓦式低温恒温器。杜瓦是指容器壁中具有真空夹层的容器。连续流动低温恒温器一般通过液氦连续流过需要降温的部件，达到降温的效果。在这种方式下，储存冷却介质的部位和需要降温的部位可以分开，这样需降温的部位可做到很小，便于安排。但一般而言，连续流动低温恒温器的结构较为复杂，消耗液氦也较快。杜瓦式低温恒温器则是直接将液氮和液氦储存在需降温部位的上方，它消耗液氦较少，结构也比较简单，缺点是杜瓦体积较大，会对整个实验系统的设计带来更多的限制。国内很多低温恒温器都是采购自英国OxfordInstruments公司和美国JANIS公司。

低温恒温器的目的就是让降温目标(如科学实验样品、医学设备的超导线圈等)在合适的低温下维持尽量长的时间，同时冷却介质如液氦和液氮的消耗要尽可能的小。液氦消耗的过程就是液氦全部以氦气的形式脱离系统的过程，即液氦的蒸发过程。要达到减少液氦消耗的目的就要尽量减少降温目标和外界环境的热量交换。热交换有三种途径热传导、热对流和热辐射。低温恒温器需要工作在真空环境内，所以基本隔绝了空气的热对流，需要加以考虑的只有热传导和热辐射。一般的讲降低热传导是通过选用低导热率的材料和降低传热面积来实现的。另外，热源的热辐射分别和它的热力学温度四次方、材料发射率以及表面积成正比。

相比液氮，液氦的价格昂贵。很多现有技术中的低温恒温器的设计都是以尽量减少液氦消耗为目的。在现有技术中，例如中国发明专利CN101487652B公开的超静液氦恒温器，其属于一种杜瓦式低温恒温器，采用液氦内胆作为冷却工作部，并通过围绕在内胆周围的液氦冷屏来给液氦内胆的外部降温，从而减少液氦的消耗。但是这种液氦冷屏在工作过程中仍然会消耗大量的液氦。另一些现有技术，例如中国发明专利申请号CN102436898A公开的一种低温超导磁体的冷却方法及其系统，其采用密封在真空腔内的液氦储存腔作为冷却工作部，并在液氦储存腔外部设有液氮储存腔以提供外部降温。这种装置的缺点在于液氦储存腔紧密包裹在液氮储存腔上，二者只相隔一层腔壁，即在该装置中，液氦储存腔的外壁同时也是液氮储存腔的内壁。这样一来，温度较高的液氮(77K)与温度较低的液氦(4.2K)之间将极易进行热传导，从而形成较大规模的热交换，从而增大了液氦的消耗，不利于节省液氦资源。

另外，液氦和液氮在冷却时会发生沸腾，从而产生震动，并且系统自身也可能会产生震动。这些震动不利于实验的开展，可能会影响某些实验数据的准确性，因此人们希望使真空低温恒温器工作时的震动尽量减少。

发明内容

因此，本发明的目的是提供一种真空低温恒温器，该真空低温恒温器的沸点低的致冷剂消耗更少并且该恒温器工作时震动更小。

为实现上述目的，本发明的方案是提供一种真空低温恒温器，包括：维持真空的真空腔；悬设在真空腔内部的用于盛装第一致冷剂的第一腔，第一腔连接有至少两根用于引入和/或排出流体的第一导管，第一腔下方为冷却区域；悬设在真空腔内部并围绕第一腔设置的用于盛装第二致冷剂的第二腔，第二致冷剂在标准大气压下的沸点高于第一致冷剂，第二腔连接有至少两根用于引入和/或排出流体的第二导管，第二腔能够给第一腔提供外部降温，其中，第二腔与第一腔由真空隔开。其中，第一腔与真空腔通过减震机构相联结。减震机构包括：固定连接第一腔的顶法兰；固定连接第二腔的中间法兰，该中间法兰通过波纹管柔性密封连接顶法兰并通过外套管固定密封连接真空腔；自顶法兰和中间法兰周缘的对应位置向外径向延伸的若干翼板；适于缓冲震动的气垫腿，该气垫腿夹设于两块位置对应的翼板之间。

由于第二腔与第一腔由真空隔开后，使得第二腔与第一腔之间的热交换特别是热传导大为减少，有利于减少第二致冷剂例如液氮以及第一致冷剂例如液氦的消耗。此外，上述方案有利于降低第一致冷剂和/或第二致冷剂沸腾时的震动、以及外界传入系统的震动对第一腔的影响，使系统工作时更加稳定。

根据本发明的一个方案，真空低温恒温器在第一腔与第二腔之间悬设有热辐射屏蔽罩。另外，根据本发明的一个方案，真空低温恒温器在第二腔与真空腔的腔壁之间悬设有热辐射屏蔽罩。通过热辐射屏蔽罩能够有效降低外界对第二腔和/或第二腔对第一腔的热辐射。

根据本发明的一个方案，真空低温恒温器包含三根周向均匀布置的第一导管以及三根周向均匀布置的第二导管。周向的均匀布置能够为本发明的真空低温恒温器提供更好的力学性能。

根据本发明的一个方案，该第一致冷剂为液氦，该第二致冷剂为液氮。

根据本发明的一个方案，在第二腔直接靠近第一腔的内侧腔壁上贴合无氧铜板以形成围绕第一腔的同温层。同温层的设置有利减少第二腔对第一腔的热辐射，从而降低第一致冷剂的消耗。

根据本发明的一个方案，真空低温恒温器中接触真空的材料均经过电解抛光处理。这有利于减小材料的表面积，从而降低热辐射。

根据本发明的一个方案，第一腔在靠近由第一致冷剂蒸发出的气体的出口处填充有适于吸热的多孔材料。这有利于增大第一致冷剂气体例如氦气的吸热面积，增加第一致冷剂气体例如氦气带走的热量从而进一步降低第一致冷剂的消耗。

总之，通过采用以上方案，本发明的真空低温恒温器能够在提供较好的恒温效果的同时大大降低第一致冷剂例如液氦的消耗速率，并且还能够有效缓解震动对第一致冷剂的冷却结构的影响。

附图说明

以下，结合附图来详细说明本发明的实施例，同样的标记表示相同或类似的构件，其中：

图1为根据本发明一实施例的真空低温恒温器的剖视图；

图2为根据本发明实施例的真空低温恒温器的部分结构立体图；

图3为根据本发明实施例的真空低温恒温器的部分结构大致沿图1中A-A线的位置截取的立体剖视图。

具体实施方式

本发明总体上提供一种真空低温恒温器，包括：维持真空的真空腔；悬设在真空腔内部的用于盛装第一致冷剂的第一腔4，第一腔4连接有至少两根用于引入和/或排出流体的第一导管2，第一腔4下方为冷却区域；悬设在真空腔内部并围绕第一腔4设置的用于盛装第二致冷剂的第二腔5，第二致冷剂在标准大气压下的沸点高于第一致冷剂，第二腔5连接有至少两根用于引入和/或排出流体的第二导管3，第二腔5能够给第一腔4提供外部降温。其中，第二腔5与第一腔4由真空隔开。

图1示出了根据本发明一实施例的真空低温恒温器的剖视图。如图所示，在本实施例中，真空腔由顶法兰12、波纹管上法兰16a、波纹管17、波纹管下法兰16b、中间法兰10、外套管上法兰15a、外套管1、外套管下法兰15b和该真空低温恒温器所安装的真空系统腔体(未示出)包围而成，它们通过依次相互密封连接来维持内部的真空环境，其中外套管下法兰15b适于和真空系统腔体上的法兰(未示出)进行密封连接。可以理解的是，本发明的真空腔可以是任意合适形式的适于维持内部真空的腔。

如图所示，在本实施例中，第二腔5呈管状，或呈底面为环形的柱体，例如由304不锈钢制成。第二腔5通过一端固定在真空腔上的第二导管3(见图2)悬设在真空腔内，并且与包括外套管1在内的真空腔的腔壁形成间隔。在本实施例中，第二导管3包括三根周向均匀布置的金属管，例如是由304不锈钢制成的圆管。在图1中，第二导管3有两根因为剖切的原因所以未示出，剩下一根隐藏在示出的第一导管2之后所以不可见。第二导管3例如通过焊接在中间法兰10中从而固定在真空腔上。

这种设置使得第二腔5基本处于真空环境中，第二腔内的第二致冷剂例如液氮与约300K的外界空气由真空隔开，从而不会与外界室温产生由空气或其它流体进行的热对流，并且不会产生除经由第二导管3以外的热传导。由于真空下常用的低温材料有无氧铜和304不锈钢，而304不锈钢的导热率比无氧铜小二十多倍，所以第二致冷剂经由第二腔5和导管的热传导而与外界发生的热交换也较少。这有利于给第二腔5保温，从而降低第二致冷剂的消耗。另外，本实施例的和外界环境有连接的部件都可以采用304不锈钢材料以降低热传导。可以理解的是，本发明的与外界环境连接的部件还可以采用其它任意合适的导热率较低的材料制成。

在本实施例中，第一腔4呈管状，例如由304不锈钢制成，其底盖25例如由镀金的无氧铜制成。本发明的第一腔4主要用于冷却真空系统中的物体(未示出)，该物体通常设置在第一腔4的正下方，因此第一腔4下方即为冷却区域。将需要降温的系统紧贴无氧铜底盖，利用无氧铜的高导热率能够将降温目标迅速冷却至第一致冷剂温度，例如液氦的温度，即约4.2K。镀金的作用在于降低热辐射，以及防止取出低温恒温器时无氧铜在空气中被氧化。与之不同的是，由于第二腔5不用于冷却，其下方并非冷却区域，因此第二腔5的底盖26可以例如采用304不锈钢制成，以降低热传导。第一腔4通过第一导管2悬挂在真空腔内，并且与包括外套管1在内的真空腔的腔壁形成间隔。在本实施例中，第一导管2包括三根周向均匀布置的金属管，例如是由304不锈钢制成的圆管。第一导管2有两根因为剖切的原因所以未示出。第一导管2例如通过焊接在顶法兰12中从而固定在真空腔上。

这种设置的作用与第二腔5的设置类似，能够第一致冷剂与约300K的外界室温的热交换。此外，第一腔4基本位于第二腔5的内侧，即插入至大致呈圆管体的第二腔5的管内。这种设置使得第二腔5对第一腔4形成一层第二致冷剂的屏障，通过第二致冷剂的预冷作用来降低外界室温与第一腔4之间的热交换，从而减少第一致冷剂消耗。另外，第一腔4与第二腔5形成间隔，使得第一腔4与第二腔5由真空隔开，这有利于减少第二腔5与的第一腔4之间的热交换，从而进一步减少第一致冷剂的蒸发消耗。如图所示，在本实施例中，第一腔4的内部从上到下穿设有若干根通道管18、19，包括一根中心细通道管19和三根粗通道管18，其中一根粗通道管18因为剖切的原因所以未示出。这四根通道管18、19与真空腔内的真空环境连通，可以用来作为电路的通道、吊装下面系统的机械装置的通道等。

在本实施例中，真空腔的腔壁与第二腔5之间设有热辐射屏蔽罩7、第二腔5与第一腔4之间设有热辐射屏蔽罩6。此外，在热辐射屏蔽罩6与热辐射屏蔽罩7之间的第二腔5顶部位置处设有热辐射屏蔽板8，在热辐射屏蔽罩7上方的中间法兰10内侧、波纹管下法兰16b下侧设有热辐射屏蔽板9。如图所示，热辐射屏蔽罩6、7均大致呈上端封闭的管状，即呈倒扣的杯状，并从上到下完全笼罩在第一腔4和第二腔5外侧；热辐射屏蔽板8、9均大致呈圆板状，热辐射屏蔽板用于遮绝上部向下的热辐射。热辐射屏蔽罩6、7和热辐射屏蔽板8、9均例如由镀金的无氧铜制成。热辐射屏蔽结构的设置是为了对两侧温度不同的物体之间的热辐射起到一定的阻隔作用。根据热辐射的公式可以计算出：如果在两个不同温度的辐射源之间加装完全的热辐射屏蔽罩，可以把两个热源之间由于热辐射带来的热交换降低到原来的一半。多层热辐射屏蔽罩和屏蔽板的设置有利于显著降低热辐射带来的冷却介质损耗。另外，已知热源的热辐射分别和它的热力学温度四次方、材料发射率以及表面积成正比。因此，热辐射屏蔽罩6、7和热辐射屏蔽板8、9通过在表面镀金能够利用金的低发射率来降低热辐射，同时让真空内的所有材料，包括热辐射屏蔽罩6、7、热辐射屏蔽板8、9、第二腔5外壁和第一腔4外壁等均经过电解抛光处理以大幅减少表面积，从而降低热辐射。热辐射屏蔽结构的基底材料采用无氧铜例如是为了利用导热率较高的无氧铜来使屏蔽结构中的热量能够迅速地均匀分布至整个屏蔽结构上，从而减少热辐射屏蔽罩6、7或屏蔽板8、9中不同位置之间的温差，从而降低由自身温差引起的热辐射。

为了减少第二致冷剂的消耗，本发明采用304不锈钢这种导热率较低的材料制成第二腔5，但是人们又希望第二腔直接靠近第一腔的内侧腔壁的温度尽量低，最好整体维持在例如第二致冷剂温度，以减少向第一腔的辐射；除此之外，由于不锈钢的导热率很小，第二腔的腔壁上部会随着第二致冷剂的消耗而形成气腔，从而使第二腔5的温度有所上升，造成温度分布不均，这是人们希望避免的。基于以上目的，在本实施例中可以采用无氧铜板卷成圆筒，贴合在第二腔5靠近第一腔4的内侧腔壁上，使其位于第二腔5的内部。利用无氧铜的高导热率，使第二腔5的内侧腔壁形成一个同温层21，从而减少第二腔5向内的热辐射。

图2示出了为根据本发明一实施例的真空低温恒温器的部分结构立体图。在该图中，外套管1及其上下法兰15a、15b、热辐射屏蔽罩7均被卸去，以便更清楚地示出它们内部的第一导管2和第二导管3的分布与结构。结合图1可以看出，热辐射屏蔽罩7是通过分别设置在三根第一导管2和三根第二导管3上的六个连接件27而悬设于真空腔的腔壁与第二腔5之间的；三根第一导管2从第一腔4的顶部延伸至顶法兰12的上方，其与顶法兰12例如通过焊接来密封固定，末端的管口11形成流体的出口和/或入口；三根第二导管3从第二腔5的顶部延伸至中间法兰10的上方，其与中间法兰10例如通过焊接来密封固定，末端的管口20形成流体的出口和/或入口。在本实施例中，第一腔4与第二腔5与外界的一切物质交换都是通过这三根第一导管2和三根第二导管3来进行的。由于在使用过程中始终有第一致冷剂会不断蒸发成第一致冷剂气体例如氦气流出，通过理论计算可知，在这个过程中第一致冷剂吸收的绝大部分热量是在第一致冷剂气化成第一致冷剂气体例如氦气后的升温过程中吸收的，因此在本实施例中，管口11内可以填充能够快速传导热量的多孔材料，以增大第一致冷剂气体例如氦气的吸热面积，从而增加其带走的热量，进一步降低第一致冷剂消耗。

在使用时，首先将真空腔抽真空；然后分别通过第二导管3和第一导管2先向第二腔5及第一腔4中充满第二致冷剂；待系统整体冷却到第二致冷剂温度时，用较冷的第一致冷剂气体例如氦气将第二致冷剂从第一腔4中赶出，例如可以通过第一导管2的管口11中的管口11a注入第一致冷剂气体例如氦气，使第二致冷剂例如液氮从余下的管口11b和管口11c中流出，或者采用其它管口11组合方式来实现注入和第二致冷剂的赶出；将第一腔4中充满第一致冷剂后，就能够实现恒温，从而例如可以开始做低温实验了。在实验过程中随时可以向第二腔5和第一腔4里分别通过第二导管3和第一导管2充第二致冷剂和第一致冷剂，以增加低温实验的维持时间。

如图所示，第一腔4是通过减震机构与真空腔联结的，目的是减少第二致冷剂和/或第一致冷剂沸腾时的震动以及外界传入系统的震动对第一腔4的影响，从而增大系统的稳定性。减震机构例如包括：顶法兰12，下方的第一腔4(不可见)通过第一导管3与顶法兰12固定连接；中间法兰10，位于顶法兰12下方的该中间法兰10通过波纹管17及其上下法兰16a、16b柔性密封连接顶法兰12，中间法兰10直径比顶法兰12的直径大，从而能够使该中间法兰固定连接自第二腔5延伸出的第二导管3，并将该第二导管3设置在顶法兰12的外侧，中间法兰10还通过外套管1及其上下法兰15a、15b固定密封连接真空系统的腔体以形成真空环境；六块翼板13a、13b，其中三块翼板13a自顶法兰12周缘上周向间隔120°即均匀分布的位置横向向外延伸，三块翼板13b自中间法兰10的周缘上与翼板13a对应的位置横向向外延伸，并且翼板13a长于翼板13b；三个气垫腿14，该气垫腿14夹设于位置对应的翼板13a和翼板13b之间，其由能够充满空气的柔性材料制成，主要起到减震的作用。除此之外，其它形式的减震机构也是可能的。

图3示出了根据本发明一实施例的真空低温恒温器的部分结构大致沿图1中A-A线的位置截取的立体剖视图。在该图中，外套管1、热辐射屏蔽罩6、7和热辐射屏蔽板8均被卸去，以便示出第一腔4和第二腔5的结构和相对位置关系。结合图1可以看出，本实施例的热辐射屏蔽罩6通过分别设置在三根第一导管2上的连接件24而悬设于第一腔4与第二腔5之间，热辐射屏蔽板8通过分别设置在三根第一导管2上的连接件22而固定在第二腔5顶侧。如图所示，在本实施例中，三根第二导管3a、3b、3c周向均匀设置在第二腔5的顶侧，三根第一导管2a、2b、2c周向均匀设置在第一腔4的顶侧。可以理解的是，这种设置不是唯一的，例如还可以分别对称设置两根第二导管和两根第一导管。

虽然上文对本发明的具体实施例进行了详细的描述，但是这些描述仅是为了说明，不得被解释为限制本发明。任何本领域技术人员在本发明的精神下对以上描述做出的任何改进和替换都是可能的，并且这些改进和替换都落入本发明的范围内。本发明的范围仅由所附权利要求书确定。

Claims (8)

1.一种真空低温恒温器，包括：维持真空的真空腔；悬设在该真空腔内部的用于盛装第一致冷剂的第一腔(4)，该第一腔(4)连接有至少两根用于引入和/或排出流体的第一导管(2)，该第一腔(4)下方为冷却区域；悬设在该真空腔内部并围绕该第一腔(4)设置的用于盛装第二致冷剂的第二腔(5)，该第二致冷剂在标准大气压下的沸点高于该第一致冷剂，该第二腔(5)连接有至少两根用于引入和/或排出流体的第二导管(3)，该第二腔(5)能够给该第一腔(4)提供外部降温，其特征是，该第二腔(5)与该第一腔(4)由真空隔开，其中，该第一腔(4)与该真空腔通过减震机构相联结，该减震机构包括顶法兰(12)、中间法兰(10)、若干翼板(13)以及气垫腿(14)，该顶法兰(12)固定连接该第一腔(4)，该中间法兰(10)固定连接该第二腔(5)，并且通过波纹管(17)柔性密封连接该顶法兰(12)并通过外套管(1)固定密封连接真空腔，所述若干翼板(13)自该顶法兰(12)和该中间法兰(10)周缘的对应位置向外径向延伸，该气垫腿(14)适于缓冲震动，并且夹设于两块位置对应的该翼板(13)之间。

2.根据权利要求1所述的真空低温恒温器，其特征是，该真空低温恒温器在该第一腔(4)与该第二腔(5)之间悬设有热辐射屏蔽罩(6)。

3.根据权利要求2所述的真空低温恒温器，其特征是，该真空低温恒温器在该第二腔(5)与该真空腔的腔壁之间悬设有热辐射屏蔽罩(7)。

4.根据权利要求1所述的真空低温恒温器，其特征是，该第一致冷剂为液氦，该第二致冷剂为液氮。

5.根据权利要求1所述的真空低温恒温器，其特征是，该真空低温恒温器包含三根周向均匀布置的该第一导管(2)以及三根周向均匀布置的该第二导管(2)。

6.根据权利要求1所述的真空低温恒温器，其特征是，在该第二腔(5)直接靠近该第一腔(4)的内侧腔壁上贴合无氧铜板以形成围绕该第一腔(4)的同温层(21)。

7.根据权利要求2或3所述的真空低温恒温器，其特征是，该真空低温恒温器中接触真空的材料均经过电解抛光处理。

8.根据权利要求1所述的真空低温恒温器，其特征是，该第一腔(4)在靠近由第一致冷剂蒸发出的气体的出口(11)处填充有适于吸热的多孔材料。