CN105675381A - 极低振动氦气蓄冷系统及其控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及低温技术领域，特别涉及一种极低振动氦气蓄冷系统，包括氦腔、制冷机以及与制冷机相连的压缩机；所述氦腔内部呈中空状形成用于容纳氦气的腔室，氦腔的一端与制冷机的冷头相连，另一端与样品安装座相连，待测试样品固定安装在样品安装座上；同时还公开了其控制方法。通过设置氦腔，制冷机停机后，利用氦腔中的低温氦气向样品提供冷量而不影响被冷却样品温度状态，主要振源消失，振动大大降低，使得被冷却样品位置的稳定性满足测试要求，同时，该系统使用普通的制冷机即可，无需使用低振动的制冷机，也无需采用柔性传热结构，大大降低了成本。
Description
技术领域
本发明涉及低温技术领域，特别涉及一种极低振动氦气蓄冷系统及其控制方法。
背景技术
随着科学技术的不断深入发展，极端条件下(如超低温、极低振动条件)的科学研究越来越受到科研人员的重视。目前市场上存在成熟的4KG-M制冷机以及脉冲管制冷机，使得将样品冷却至4.2K相比使用液氦变得更加简单，然而，不管是G-M制冷机还是脉冲管制冷机，自身的振动都不可避免地对冷却样品的位置产生影响，这些振动一般来源于四个方面：(1)制冷机冷头电机运转带来振动；(2)制冷机冷头气缸往复运动带来振动；(3)压缩机运转带来振动；(4)压缩机与冷头之间的氦管由于气体流动带来振动。脉冲管制冷机相比较G-M制冷机而言，由于低温部分没有运动部件，其振动相对较小。
在采用X射线对冷冻靶球进行相衬表征的惯性约束核聚变系统中，要求冷冻靶球位置稳定性在1微米甚至更小，如果采用G-M制冷机或脉冲管制冷机对冷冻靶球进行降温，无法达到如此低的振幅要求。为了避免上述问题，现有的做法一般有两种：其一，采用柔性传热结构，定制合适结构的制冷机，减小制冷机振动对靶球位置稳定性的影响；其二，采用比G-M制冷机和脉冲管制冷机振动小的制冷机，比如J-T循环制冷机或逆布雷顿循环制冷机。前面一个方案中，定制型制冷机和柔性传热结构会带来成本的大幅增加；后一个方案中，J-T循环制冷机或逆布雷顿循环制冷机的价格非常高，也会导致系统成本的增加。
发明内容
本发明的首要目的在于提供一种极低振动氦气蓄冷系统，满足极低振动需求下的样品检测。
为实现以上目的，本发明采用的技术方案为：一种极低振动氦气蓄冷系统，包括氦腔、制冷机以及与制冷机相连的压缩机；所述氦腔内部呈中空状形成用于容纳氦气的腔室，氦腔的一端与制冷机的冷头相连，另一端与样品安装座相连，待测试样品固定安装在样品安装座上。
进一步地，包括充气管，充气管的一端与氦腔的腔室连通，另一端通过减压阀与高纯氦气瓶相连或者通过流量调节器与制冷机和压缩机之间的管道相连。
进一步地，所述的制冷机包括一级冷头和二级冷头，氦腔与二级冷头相连；所述的充气管为不锈钢管，充气管沿着一级冷头的换热器布置并环绕二级冷头的气缸多圈后再与氦腔相连。
进一步地，所述的氦腔包括呈圆管状的氦腔本体，氦腔本体的两端通过盲盖密封形成所述腔室，氦腔本体和盲盖均为无氧铜材质制成；其中一个盲盖与制冷机的二级冷头固定连接，样品安装座通过热阻垫片固定在另一个盲盖上。
进一步地，所述的样品安装座上设置有第一薄膜加热器用于对样品的温度进行控制，二级冷头上设置有第二薄膜加热器用于调节制冷量；所述的样品安装座上还设置有温度传感器，控制单元接收温度传感器采集到的实际温度信息并将实际温度与设定温度对比后控制第一薄膜加热器工作。
进一步地，所述充气管的另一端通过减压阀与高纯氦气瓶相连；一级冷头远离二级冷头的一端设置有第一连接法兰，二级冷头、氦腔、样品安装座和样品外侧套设有第一防辐射屏，一级冷头和第一防辐射屏外侧包扎有单面镀铝薄膜，单面镀铝薄膜外侧套设有外壳，外壳呈一端开口的桶装且其开口一端固定在第一连接法兰上。
进一步地，所述充气管的另一端通过流量调节器与制冷机和压缩机之间的管道相连；二级冷头靠近一级冷头的一端设置有第二连接法兰，二级冷头、氦腔、样品安装座以及样品外侧套设有第二防辐射屏，第二防辐射屏固定在第二连接法兰上，流量调节器、制冷机以及第二防辐射屏均置于恒温器中。
进一步地，与高纯氦气瓶相连的充气管依次经过减压阀、流量计、压力变送器、安全阀后通过第一连接法兰顺延到一级冷头的换热器上；控制单元采集流量计、压力变送器输出的信息并处理后控制安全阀动作。
与现有技术相比，本发明存在以下技术效果：通过设置氦腔，制冷机停机后，利用氦腔中的低温氦气向样品提供冷量而不影响被冷却样品温度状态，主要振源消失，振动大大降低，使得被冷却样品位置的稳定性满足测试要求，同时，该系统使用普通的制冷机即可，无需使用低振动的制冷机，也无需采用柔性传热结构，大大降低了成本。
本发明的另一个目的在于提供一种极低振动氦气蓄冷系统的控制方法，满足极低振动需求下的样品检测。
为实现以上目的，本发明采用的技术方案为：一种如前所述极低振动氦气蓄冷系统的控制方法，包括如下步骤：(A)将待检测样品放置在样品安装座上；(B)启动制冷机，对氦腔内的氦气进行冷却，直到设定温度后关闭制冷机；(C)氦腔内的低温氦气将样品维持在预定温度下，同时完成样品检测。
进一步地，所述的步骤B中，氦腔内的氦气可以从制冷机本身的循环系统中取得，也可以从独立的氦气瓶中取得；所述的步骤C中，同时对温度进行监测，如果采集到的温度高于预定温度，则暂停检测并重复步骤B。
与现有技术相比，本发明存在以下技术效果：通过合理分配冷却、检测的时间差，在制冷的时候停止检测，在检测的时候，将制冷机停机并通过氦腔中的低温氦气向样品提供冷量而不影响被冷却样品温度状态，主要振源消失，振动大大降低，被冷却样品位置的稳定性满足测试要求，这种分时处理使得采用普通的制冷机也能完成极低振动需求下的样品检测。
附图说明
图1是本发明实施例一的结构示意图，其中由于连线较多，图中第一、二薄膜加热器以及温度传感器和控制单元的连接关系未示出；
图2是本发明实施例二的结构示意图，其中省略了控制单元以及控制单元与其他部件的连线。
具体实施方式
下面结合图1至图2，对本发明做进一步详细叙述。
参阅图1、图2，一种极低振动氦气蓄冷系统，包括氦腔10、制冷机20以及与制冷机20相连的压缩机30；所述氦腔10内部呈中空状形成用于容纳氦气的腔室，氦腔10的一端与制冷机20的冷头相连，另一端与样品安装座41相连，待测试样品42固定安装在样品安装座41上。这里通过设置氦腔10，氦腔10中容纳有氦气，制冷机20首先对氦腔10内的氦气进行冷却，当氦气冷却到设定温度后，将制冷机20停机，通过冷却的氦气对待测试样品42进行冷却，使得待测试样品42满足测试时的极低温，同时，由于制冷机20已经停机，主要振动源已经去除，待测试样品42在检测时能够保证位移稳定在1微米范围内。更重要的是，这里无需使用极低振动的、成本极高的J-T循环制冷机或者逆布雷顿循环制冷机，成本也能得到很好的控制。
这里之所以设置氦腔10，其内容纳有氦气作为冷却介质，主要是因为在4-10K温区，高纯氦气的比热比绝大多数物质都要高，因此相比选择其他物质，使用的氦气量是很小的，从而减轻设备重量。以铜为例，6K的氦气在15atm条件下的比热为3.914×103J/Kg·K，而导热性能较好的材料纯铜在6K时的比热仅为0.091J/Kg·K，当需要相同蓄冷能力的两种材料时，所需铜的质量将是液氦质量的1万倍，因此，选择氦气作为冷却介质是非常好的。
作为本发明的优选方案，包括充气管61，充气管61的一端与氦腔10的腔室连通，另一端通过减压阀65与高纯氦气瓶66相连或者通过流量调节器67与制冷机20和压缩机30之间的管道相连。由于制冷机20本身的循环介质就是氦气，故本系统中的氦气有两种方式取得：实施例一如图1所示，氦气由高纯氦气瓶66中取得，氦腔10内的氦气压力通过减压阀来调节；实施例二如图2所示，氦气由制冷机20自身的循环系统中取得，氦腔10中的氦气压力通过流量调节器67来调节。实施例一中，对于氦气的流量、压力都能够很方便地进行控制，但是系统相对复杂一点；对于实施例二而言，氦气取得方便，无需增加额外的其他气源和管路，系统简便。再具体使用时，用户可以根据自己的选择来选用合适的实施方式。
优选地，所述的制冷机20包括一级冷头21和二级冷头22，氦腔10与二级冷头22相连；所述的充气管61为不锈钢管，充气管61沿着一级冷头21的换热器布置并环绕二级冷头22的气缸多圈后再与氦腔10相连。制冷机20包括两级冷头，对氦气的冷却效果更佳。在一级冷头21的换热器上布置充气管61，使得氦气先经过安装在制冷机20一级冷头上的带有狭窄通道无氧铜换热器，利用制冷机20一级冷头21对高纯氦气预冷降温，以减小二级冷头22的热负载，从而提高了降温速率和充气速率。充气管61在二级冷头22上环绕多圈的目的是增加管道柔性，补偿低温收缩。
进一步地，所述的氦腔10包括呈圆管状的氦腔本体11，氦腔本体11的两端通过盲盖12密封形成所述腔室，氦腔本体11和盲盖12均为无氧铜材质制成，无氧铜的热导率很高，氦腔10在这里有两个作用，一方面作为冷量传递介质，将制冷机20的二级冷头22冷量传递给样品安装座41，另一方面作为一个容器来存储高压高纯氦气。选择大直径铜管作为氦腔10的目的是为了增强氦气传热面，盲盖12通过电子束焊接在氦腔10的两端。盲盖12上朝向氦腔10的空腔一侧设置若干铜管以保证氦气与氦腔10的传热面积与氦腔10总面积的比值超过0.68，这样对样品安装座41的冷却效果较佳。
进一步地，其中一个盲盖12与制冷机20的二级冷头22固定连接，样品安装座41通过热阻垫片43固定在另一个盲盖12上，设置热阻垫片43，使得样品安装座41的温度不会随着氦腔10的温度变化太快。热阻垫片43可以用厚度均匀的黄铜片来制作，黄铜片的厚度根据实际情况进行设置。
为了实现对待测试样品42温度的精确控制，所述的样品安装座41上设置有第一薄膜加热器411，氦腔10可以对待测试样品42进行降温，第一薄膜加热器411可以对待测试样品42进行加热，这样就能根据需要维持待测试样品42在设定的温度上。进一步地，考虑到制冷机20的制冷能力不一样，二级冷头22上设置有第二薄膜加热器221用于调节制冷量。所述的样品安装座41上还设置有温度传感器412，控制单元50接收温度传感器412采集到的实际温度信息并将实际温度与设定温度对比后控制第一薄膜加热器411工作，设置温度传感器412后，就能对待测试样品42的温度进行监测，方便后续进行温度的自动调节。
另外，当有需要模拟热负载时，可以在待测试样品42上设置一个薄膜加热器，对待测试样品42进行加热。也可以在制冷机一级冷头21、二级冷头22以及氦腔10的两端均设置温度传感器，用于监测各点温度值。其中，氦腔10两端和样品安装座41上的的温度传感器可以试用标定cernox温度传感器，因为其测量精度高，可达到±5mK，其余的采用标准硅二极管温度传感器即可，其测量精度为±0.25K。当然用户也可以根据需要在其他位置设置温度传感器或者设置薄膜加热器，这里就不一一举例。
优选地，在实施例一中，所述充气管61的另一端通过减压阀65与高纯氦气瓶66相连；一级冷头21远离二级冷头22的一端设置有第一连接法兰23，二级冷头22、氦腔10、样品安装座41和样品42外侧套设有第一防辐射屏71，一级冷头21和第一防辐射屏71外侧包扎有单面镀铝薄膜，单面镀铝薄膜外侧套设有外壳80，外壳80呈一端开口的桶装且其开口一端固定在第一连接法兰23上。第一防辐射屏71可以采用铜材料制作，第一防辐射屏71、单面镀铝薄膜以及外壳80的设置，都是为了保证氦腔10的辐射漏热。
在实施例二中，采用了另外一种方式来保证氦腔10的辐射漏热，具体结构如下：所述充气管61的另一端通过流量调节器67与制冷机20和压缩机30之间的管道相连；二级冷头22靠近一级冷头21的一端设置有第二连接法兰24，二级冷头22、氦腔10、样品安装座41以及样品42外侧套设有第二防辐射屏72，第二防辐射屏72固定在第二连接法兰24上，流量调节器67、制冷机20以及第二防辐射屏72均置于恒温器90中。需要注意的是，这里的防辐射屏、单面镀铝薄膜、外壳、恒温器可以根据实际情况选择使用，实施例二中也能使用实施例一中的结构，只要保证制冷机20停机后，氦腔10内的氦气与外界的热交换低即可。
实施例一中优选地，与高纯氦气瓶66相连的充气管61依次经过减压阀65、流量计64、压力变送器63、安全阀62后通过第一连接法兰23顺延到一级冷头21的换热器上；控制单元50采集流量计64、压力变送器63输出的信息并处理后控制安全阀62动作。控制单元50采集流量计64的信息后，可以方便的采集流量，并能当流量出现异常时启动安全阀62，对系统进行保护。
本发明中还提供了一种极低振动氦气蓄冷系统的控制方法，包括如下步骤：(A)将待检测样品42放置在样品安装座41上；(B)启动制冷机20，对氦腔10内的氦气进行冷却，直到设定温度后关闭制冷机20；(C)氦腔10内的低温氦气将样品42维持在预定温度下，同时完成样品42检测。该步骤中，通过分时启停制冷机20，即制冷机20冷却的时候，不进行待测试样品42的检测，对待检测样品42进行检测时，不启动制冷机20，这样就能满足测试时的低振动需求。步骤B中，设定温度可以是待测试样品42可接受的最低温度。
优选地，所述的步骤B中，氦腔10内的氦气可以从制冷机20本身的循环系统中取得，也可以从独立的氦气瓶中取得，这个前面已经很详细的阐述过了，这里就不再赘述。所述的步骤C中，同时对温度进行监测，如果采集到的温度高于预定温度，说明此时的温度较高，不满足待测试样品42的检测需求，则暂停检测并重复步骤B，继续将氦腔10中的氦气冷却到设定温度后再停机进行检测。
Claims (10)
1.一种极低振动氦气蓄冷系统，其特征在于：包括氦腔(10)、制冷机(20)以及与制冷机(20)相连的压缩机(30)；所述氦腔(10)内部呈中空状形成用于容纳氦气的腔室，氦腔(10)的一端与制冷机(20)的冷头相连，另一端与样品安装座(41)相连，待测试样品(42)固定安装在样品安装座(41)上。
2.如权利要求1所述的极低振动氦气蓄冷系统，其特征在于：包括充气管(61)，充气管(61)的一端与氦腔(10)的腔室连通，另一端通过减压阀(65)与高纯氦气瓶(66)相连或者通过流量调节器(67)与制冷机(20)和压缩机(30)之间的管道相连。
3.如权利要求2所述的极低振动氦气蓄冷系统，其特征在于：所述的制冷机(20)包括一级冷头(21)和二级冷头(22)，氦腔(10)与二级冷头(22)相连；所述的充气管(61)为不锈钢管，充气管(61)沿着一级冷头(21)的换热器布置并环绕二级冷头(22)的气缸多圈后再与氦腔(10)相连。
4.如权利要求3所述的极低振动氦气蓄冷系统，其特征在于：所述的氦腔(10)包括呈圆管状的氦腔本体(11)，氦腔本体(11)的两端通过盲盖(12)密封形成所述腔室，氦腔本体(11)和盲盖(12)均为无氧铜材质制成；其中一个盲盖(12)与制冷机(20)的二级冷头(22)固定连接，样品安装座(41)通过热阻垫片(43)固定在另一个盲盖(12)上。
5.如权利要求4所述的极低振动氦气蓄冷系统，其特征在于：所述的样品安装座(41)上设置有第一薄膜加热器(411)用于对样品(42)的温度进行控制，二级冷头(22)上设置有第二薄膜加热器(221)用于调节制冷量；所述的样品安装座(41)上还设置有温度传感器(412)，控制单元(50)接收温度传感器(412)采集到的实际温度信息并将实际温度与设定温度对比后控制第一薄膜加热器(411)工作。
6.如权利要求5所述的极低振动氦气蓄冷系统，其特征在于：所述充气管(61)的另一端通过减压阀(65)与高纯氦气瓶(66)相连；一级冷头(21)远离二级冷头(22)的一端设置有第一连接法兰(23)，二级冷头(22)、氦腔(10)、样品安装座(41)和样品(42)外侧套设有第一防辐射屏(71)，一级冷头(21)和第一防辐射屏(71)外侧包扎有单面镀铝薄膜，单面镀铝薄膜外侧套设有外壳(80)，外壳(80)呈一端开口的桶装且其开口一端固定在第一连接法兰(23)上。
7.如权利要求5所述的极低振动氦气蓄冷系统，其特征在于：所述充气管(61)的另一端通过流量调节器(67)与制冷机(20)和压缩机(30)之间的管道相连；二级冷头(22)靠近一级冷头(21)的一端设置有第二连接法兰(24)，二级冷头(22)、氦腔(10)、样品安装座(41)以及样品(42)外侧套设有第二防辐射屏(72)，第二防辐射屏(72)固定在第二连接法兰(24)上，流量调节器(67)、制冷机(20)以及第二防辐射屏(72)均置于恒温器(90)中。
8.如权利要求6所述的极低振动氦气蓄冷系统，其特征在于：与高纯氦气瓶(66)相连的充气管(61)依次经过减压阀(65)、流量计(64)、压力变送器(63)、安全阀(62)后通过第一连接法兰(23)顺延到一级冷头(21)的换热器上；控制单元(50)采集流量计(64)、压力变送器(63)输出的信息并处理后控制安全阀(62)动作。
9.一种如权利要求1所述极低振动氦气蓄冷系统的控制方法，包括如下步骤：
(A)将待检测样品(42)放置在样品安装座(41)上；
(B)启动制冷机(20)，对氦腔(10)内的氦气进行冷却，直到设定温度后关闭制冷机(20)；
(C)氦腔(10)内的低温氦气将样品(42)维持在预定温度下，同时完成样品(42)检测。
10.如权利要求9所述的极低振动氦气蓄冷系统的控制方法，其特征在于：所述的步骤B中，氦腔(10)内的氦气可以从制冷机(20)本身的循环系统中取得，也可以从独立的氦气瓶中取得；所述的步骤C中，同时对温度进行监测，如果采集到的温度高于预定温度，则暂停检测并重复步骤B。
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Denomination of invention: Super-low-vibration helium cold accumulation system and control method thereof Effective date of registration: 20181113 Granted publication date: 20180522 Pledgee: Hefei high tech Company limited by guarantee Pledgor: Vacree Technologies Co., Ltd. Registration number: 2018340000626 |
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Denomination of invention: Helium cold storage system with very low vibration Effective date of registration: 20210125 Granted publication date: 20180522 Pledgee: Bank of Communications Ltd. Anhui branch Pledgor: VACREE TECHNOLOGIES Co.,Ltd. Registration number: Y2021980000727 |
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Date of cancellation: 20220422 Granted publication date: 20180522 Pledgee: Bank of Communications Ltd. Anhui branch Pledgor: VACREE TECHNOLOGIES Co.,Ltd. Registration number: Y2021980000727 |
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