CN107300289B - 一种用于大口径封闭循环液氦浸泡杜瓦的插件 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于大口径封闭循环液氦浸泡杜瓦的插件，包括：法兰板、真空腔、热传导结构和径向防辐射屏；真空腔包括内筒，外筒和底板；热传导结构位于内筒与外筒之间，用于连接内筒与外筒，且作为轴向防辐射板；径向防辐射屏环绕于二级冷头设置在所述热传导结构下方，径向防辐射屏的底部热沉底板。本发明通过在插件顶部设置真空腔，在真空腔内设置热沉于液氦池的径向防辐射屏，减少二级冷头因为热传导而损失的冷量，确保二级冷头的工作温度低于氦液化温度，且有足够的冷量用来液化低温氦气；通过在插件顶部真空腔内设置热传导结构，利用一级冷头富余冷量冷却真空腔外筒，减小其在液氦面附近的温度梯度，降低液氦的挥发量。

Description

一种用于大口径封闭循环液氦浸泡杜瓦的插件

技术领域

本发明属于制冷与低温容器技术领域，更具体地，涉及一种用于大口径封闭循环液氦浸泡杜瓦的插件。

背景技术

对于需要在低温下工作的仪器，杜瓦是不可或缺的组成部分。杜瓦又称低温恒温器(cryostat)，其基本功能是减少外部环境到内部仪器工作空间的热量传递，为仪器提供稳定的低温条件。维持低温条件的基本方法有两种。一种方法是在杜瓦中存储低温液体，如液氦、液氮，将仪器浸泡在低温液体中，利用低温液体缓慢蒸发的冷量来维持低温，这类杜瓦称为液氦浸泡型杜瓦，其优点是结构简单，温度相对稳定，空间均匀性好，但需要不断补充低温液体，补液时产生的振动与温度波动会干扰仪器运行，不利于仪器持续稳定工作。另一种方法是使用低温致冷机(cryocooler)，将其冷头冷量传递给仪器，将仪器冷却到低温并予以维持，因此，不需要补充低温液体，但系统复杂。

在一些应用领域，如超导重力仪等，仪器需要在液氦温度下不受干扰地持续工作，维护周期以年计；同时要求温度波动小，温度的空间均匀性好。在这种情况下，需要结合上述两种方法的优点，采用带冷头的液氦浸泡型杜瓦，并利用冷头冷量将杜瓦内蒸发的氦气重新液化，实现低温介质在杜瓦内的封闭循环。通常方法将仪器吊装在杜瓦插件上，浸泡在液氦中，同时在杜瓦法兰板上安装冷头。美国GWR Instruments Inc.就是采用这种方法，为其超导重力仪提供长期稳定的低温条件。这类杜瓦可称为自制冷封闭循环液氦浸泡型杜瓦。

实现液氦封闭循环所需的冷量由制冷机冷头提供。在目前技术条件下，需使用两级冷头。一级冷头的工作温度较高，制冷功率大；而二级冷头的工作温度低，制冷功率小。以住友系列制冷机为例，一级冷头工作在40K-65K之间，制冷功率最高可达40W；二级冷头一般工作在4.2K，制冷功率最大为1.5W。同时，一级冷头与常温安装板(一般为杜瓦法兰板)之间的距离，以及一级冷头与二级冷头之间的距离都较小，在10cm-30cm之间，因此，冷头轴向的温度梯度大。实现液氦的封闭循环，要求具备以下两个基本条件：(1)至少有一个冷头(称为低温冷头，一般为二级冷头)能达到氦液化以下温度，并能稳定维持，使低温氦气能重新液化；(2)低温冷头可以用来进行氦气液化的冷量必须大于传递到液氦池的总热量，这样才能实现液氦的持久封闭循环。

从上面描述中可以看出，二级冷头的功率有限，且有一部分冷量会向一级冷头方向传递，因此，优化杜瓦结构，做好二级冷头的冷量管理，对自制冷封闭循环液氦浸泡型杜瓦设计非常重要。在冷量管理中，杜瓦的开口尺寸(下面称为杜瓦口径)是一个重要参数，口径越小，沿杜瓦内壁的固体传热越少；对于封闭循环杜瓦，冷头处于1个大气压的氦气环境中，口径小，二级冷头由于气体分子传导造成的冷量损失也少。因此，在杜瓦设计中，应尽可能减小杜瓦口径。正因为如此，GWR超导重力仪的杜瓦口径非常接近冷头尺寸。但是，杜瓦口径不是可随意设计的参数，低温仪器必须通过杜瓦瓶口装入杜瓦内，冷头也是通过杜瓦瓶口安装在杜瓦中，因此杜瓦口径必须同时大于冷头直径与待安装仪器的直径。

现有技术中，在某些情况下，仪器尺寸显著大于冷头尺寸，导致杜瓦口径显著大于可选配的冷头直径，二级冷头的冷量损失严重，构成液氦封闭循环的严重障碍。

发明内容

针对现有技术的缺陷，本发明的目的在于提供一种用于大口径封闭循环液氦浸泡杜瓦的插件，旨在解决现有技术中当仪器尺寸显著大于冷头尺寸时，杜瓦口径显著大于可选配的冷头直径，导致二级冷头的冷量损失严重，使得液氦封闭循环存在严重障碍的问题。

本发明提供了一种用于大口径封闭循环液氦浸泡杜瓦的插件，包括：法兰板、真空腔、热传导结构和径向防辐射屏；所述真空腔位于上部，用于环绕一级冷头和二级冷头，所述真空腔包括内筒，外筒和底板；所述内筒和所述外筒构成环形筒结构，所述底板接近液氦面；所述热传导结构位于所述内筒与所述外筒之间，用于连接所述内筒与所述外筒，且作为轴向防辐射板；所述真空腔的外筒的顶部连接所述法兰板；径向防辐射屏位于所述内筒与所述外筒之间且环绕于所述二级冷头设置在所述热传导结构下方，所述径向防辐射屏的底部热沉于所述底板。

更进一步地，真空腔的外筒的直径小于杜瓦口径，且所述外筒与杜瓦的内壁之间的间隙为毫米量级；所述真空腔的内筒的直径大于冷头外径，且所述内筒的内壁与所述二级冷头之间的间隙为毫米量级。

更进一步地，热传导结构在一级冷头位置与真空腔内筒紧密热连接，且向下延伸后与所述真空腔的所述外筒紧密热连接。

更进一步地，径向防辐射屏或热传导结构为1个或1组数个与所述真空腔同轴设置的圆筒。

更进一步地，当所述径向防辐射屏或所述热传导结构为多个圆筒时，任意相邻的两个圆筒之间均设置有间隙。

更进一步地，真空腔的内筒和外筒的材料为热导系数低真空漏率低的薄壁材料。

本发明通过在插件顶部设置真空腔，在真空腔内设置热沉于液氦池的径向防辐射屏，减少二级冷头因为热传导而损失的冷量，确保二级冷头的工作温度低于氦液化温度，且有足够的冷量用来液化低温氦气；通过在插件顶部真空腔内设置热传导结构，利用一级冷头富余冷量冷却真空腔外筒，减小其在液氦面附近的温度梯度，降低液氦的挥发量。

附图说明

图1是本发明实施例提供的用于大口径封闭循环液氦浸泡杜瓦的插件的结构示意图。

其中，1为法兰板，2为真空腔，3为热传导结构，4为径向防辐射板，5为内筒，6为外筒，7为底板，8为液氦存储空间，9为安置空间，10为一级冷头，11为二级冷头。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

本发明通过优化杜瓦插件的结构，充分利用一级冷头冷量，减小二级冷头的无用冷量损失，达到在尽可能小的制冷功率下，实现液氦的封闭循环。本发明给出一种能满足上述需求的杜瓦插件结构。

本发明中杜瓦大口径具体指当仪器的口径大于冷头的口径时，杜瓦口径必须大于仪器的尺寸。

如图1所示，本发明提出的用于大口径封闭循环液氦浸泡杜瓦的插件包括：法兰板1、一个真空腔2、一个(组)热传导结构3，兼做轴向防辐射屏，和一个(组)径向防辐射屏4；真空腔2位于上部，真空腔2具有由内筒5和外筒6构成环形筒结构，腔体外径接近但略小于杜瓦口径(真空腔外筒的直径小于杜瓦口径，且真空腔外筒与杜瓦的内壁之间的间隙为毫米量级，且越小越好)，真空腔内筒的直径大于冷头外径，且真空腔内筒的内壁与冷头之间的间隙为毫米量级且越小越好；真空腔体用于环绕冷头，腔体底部接近液氦面。径向防辐射屏4位于真空腔内，具体为真空腔内1个或1组数个与插件同轴的圆筒，环绕二级冷头，其底部热沉于底板7。

热传导结构3位于真空腔内，具体为连接真空腔内、外筒的金属结构，热传导结构在一级冷头位置与真空腔内筒做紧密热连接，向下延伸后与真空腔外筒做紧密热连接。

本发明实施例中，在插件上设置真空腔。在杜瓦开口显著大于冷头直径情况下，杜瓦颈部截面积大，这部分空间充满1个大气压的氦气。此时，主要有2种从杜瓦顶部高温区向下的热传导机制，即杜瓦内壁、仪器悬挂件的固体传导和腔内气体分子传导。在杜瓦筒内壁厚度不变情况下，随着杜瓦口径增大，杜瓦筒内壁截面积成比例增大，杜瓦内壁的固体热传导与其截面积成正比，随杜瓦口径成比例增大；腔内气体分子热传导与杜瓦颈部截面积成正比，以平方关系随杜瓦口径增大。可见，在大口径下，杜瓦颈部的漏热显著增大。在二级冷头致冷功率有限，一级冷头与二级冷头间距小、温差大的情况下，从上往下传递给二级冷头的热量足以使冷头温度高于氦液化温度，无法实现液氦的封闭循环。

为了减少二级冷头的冷量损失，在插件上部设置环形真空腔真空夹层，真空腔内外筒采用热导系数低真空漏率低(例如不锈钢材料)的薄壁材料制作，其底板接近或浸泡在液氦中，使其温度接近或等同液氦温度。真空腔的高度由冷头功率与实际使用需求决定，具体地真空腔底板低于二级冷头，即真空腔的高度大于冷头的长度，高度越大，通过上部真空腔外侧壁向下传递的热量越少，但杜瓦的高度增大。

设置真空腔后使得杜瓦内充满氦气空间的截面积减小，其以氦气为介质向下传递给冷头的热量减小；由于真空腔底部接近或浸泡在液氦中，与二级冷头处的温差小，从下往上传递到二级冷头的热量可忽略。因此，设置真空腔后，有利于降低二级冷头的温度，提高氦液化率。

本发明实施例中，在真空腔的内筒与外筒之间同轴设置有防辐射屏，防辐射屏与真空腔内、外筒之间均有间隙，且防辐射屏的底板与真空腔底板固定，防辐射屏的高度大于二级冷头。设置真空腔后，二级冷头附近的真空腔内筒温度在4.2K附近，但真空腔外筒的温度显著高于内筒，内外筒之间的辐射传热与温度的4次方之差成正比，因此热辐射显著，足以导致二级冷头温度达不到氦气液化的温度。为了解决此问题，在真空腔内下部，也可以同轴设置多个防辐射屏，相邻的两个防辐射屏之间均有间隙；防辐射屏的材料可以采用低温热传导性能优良的金属材料。防辐射屏与真空腔共轴，其底部与真空腔底板做固体连接，使之热沉于真空腔底板，这样，防辐射屏与其内侧的真空腔内侧壁之间的温度差较小，两者之间的辐射传导热量减小，真空腔内筒在二级冷头附近的温度更接近二级冷头温度，从而有效减少从二级冷头流出的冷量，保证二级冷头温度降至氦气液化温度以下，这是实现氦介质封闭循环的前提条件之一。

本发明实施例中，在真空腔内外筒之间建立了热传导结构。真空腔外筒顶部连接处于室温的法兰板，底端靠近液氦池液面，温度梯度大，通过真空腔外筒的固体传导传入液氦池的热量大，会导致液氦的大量挥发。另一方面，一级冷头的制冷功率大，可以利用这一部分冷量来减少真空腔外侧壁转入液氦池的热量。为了达到这一目的，在真空腔内、外筒之间设置热传导结构。热传导结构在一级冷头位置处与真空腔内筒壁连接，在低于一级冷头的位置与真空腔外筒壁连接。热传导结构与真空腔外筒壁连接的具体位置可以根据一级冷头工作温度、连接结构的热传导速率、真空腔外筒高度及其热传导速率等因素共同决定，以外筒向液氦池传递的热量最少为条件进行优化；具体可以采用ANSYS软件进行计算。热传导结构的主要功能是，利用一级冷头富余的冷量，冷却真空腔外筒，减小外筒在液氦面附近的温度梯度，从而减少经外筒传递到液氦池的热量，降低液氦的挥发速率。同时，热传导桥梁兼有防轴向热辐射的功能。

本发明通过在插件上部设置真空腔，在真空腔内设置热沉于液氦池的径向防辐射屏，减少二级冷头因为热传导而损失的冷量，确保二级冷头的工作温度低于氦液化温度，且有足够的冷量用来液化低温氦气；同时通过真空腔内设置热传导结构，利用一级冷头富余冷量冷却真空腔外筒，减小其在液氦面附近的温度梯度，降低液氦的挥发量。

为了更进一步的说明本发明实施例提供的用于大口径封闭循环液氦浸泡杜瓦的插件；现以超导重力仪插件为实例，给出本发明的一种具体实施方式，详述如下：

超导重力仪是一种在液氦温度下工作，高分辨监测时变重力场的仪器，要求能长时间持续工作，需要采用带有制冷机的封闭循环液氦浸泡型杜瓦为其提供低温工作环境。通常仪器安装在一个真空腔中，真空腔吊装在杜瓦插件上盖板上，安装仪器的真空腔尺寸为Φ220mm×300mm，要求杜瓦的口径大于220mm，设计为230mm。选用二级冷头制冷功率最大的住友RDK-415D冷头，其一级冷头工作温度为50K，制冷功率为45W，二级冷头工作温度为4.2K，制冷功率为1.5W。一级冷头直径为125mm，二级冷头直径为64mm，两者之间的距离为235.6mm。可见，杜瓦口径远大于冷头直径，本发明适用于超导重力仪插件设计。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种用于大口径封闭循环液氦浸泡杜瓦的插件，其特征在于，包括：法兰板(1)、真空腔(2)、热传导结构(3)和径向防辐射屏(4)；

所述真空腔(2)位于上部，用于环绕一级冷头(10)和二级冷头(11)，所述真空腔(2)包括内筒(5)，外筒(6)和底板(7)；所述内筒(5)和所述外筒(6)构成环形筒结构，所述底板(7)接近液氦面；

所述热传导结构(3)位于所述内筒(5)与所述外筒(6)之间，用于连接所述内筒(5)与所述外筒(6)，且作为轴向防辐射板；所述真空腔(2)的外筒(6)的顶部连接所述法兰板(1)；利用一级冷头富余冷量冷却真空腔外筒，减小其在液氦面附近的温度梯度，降低液氦的挥发量；

径向防辐射屏(4)位于所述内筒(5)与所述外筒(6)之间且环绕于所述二级冷头(11)设置在所述热传导结构(3)下方，所述径向防辐射屏(4)的底部热沉于所述底板(7)。

2.如权利要求1所述的插件，其特征在于，所述真空腔(2)的外筒(6)的直径小于杜瓦口径，且所述外筒(6)与杜瓦的内壁之间的间隙为毫米量级；所述真空腔(2)的内筒(5)的直径大于冷头外径，且所述内筒(5)的内壁与所述二级冷头(11)之间的间隙为毫米量级。

3.如权利要求1所述的插件，其特征在于，所述热传导结构(3)在所述一级冷头(10)位置与真空腔内筒紧密热连接，且向下延伸后与所述真空腔(2)的所述外筒(6)紧密热连接。

4.如权利要求1-3任一项所述的插件，其特征在于，所述径向防辐射屏(4)或热传导结构(3)为1个或1组数个与所述真空腔(2)同轴设置的圆筒。

5.如权利要求4所述的插件，其特征在于，当所述径向防辐射屏(4)或所述热传导结构(3)为多个圆筒时，任意相邻的两个圆筒之间均设置有间隙。

6.如权利要求1-3任一项所述的插件，其特征在于，所述真空腔(2)的内筒(5)和外筒(6)的材料为热导系数低真空漏率低的薄壁材料。