CN107655236B - 超低振动低温恒温器 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种超低振动低温恒温器，其包括：支架，其上能移动的设有冷头支撑平台，所述冷头支撑平台上固设低温制冷机；内真空罩，其位于所述冷头支撑平台的下方，所述内真空罩的上端通过柔性管与所述低温制冷机密封相连，所述低温制冷机的下端穿设于所述内真空罩内，所述内真空罩、所述柔性管和所述低温制冷机围设形成氦气腔，所述内真空罩上设有与所述氦气腔连通的充注管；外真空罩，其密封的罩设于所述内真空罩外，所述外真空罩内的底壁上设有样品台，所述内真空罩的下端通过减振导热片与所述样品台相连。本发明能实现超低振动，实验准确，成本低，适用范围广。
Description
技术领域
本发明涉及一种低温恒温器，具体是一种超低振动低温恒温器。
背景技术
目前，在精密测量、量子点技术、低温光学等领域所用到的低温恒温器，不仅对低温恒温器的样品台的温度、冷量等有要求，还要求样品台的振动极低，以避免或减少振动对实验测量和设备装置的影响，例如重力波探测器不仅需要低温环境，以减小热噪声，还有极低振动的要求，且其要求的振动值在大地振动的水平。
目前的低温恒温器一般采取如下结构减少振动：(1)使用橡胶管连接低温制冷机与恒温器的样品台，以隔离振动，通常使用该减振方法后，样品台的振动值可以达到±300nm，能满足一般低振动的使用需求，但其无法满足超低振动的要求；(2)通过对样品台与制冷机二级冷头连接机械结构及冷屏连接机械结构增设振动隔离系统，同时变换冷头的振动频率，以满足超低振动的使用需求，但是，其增加的变频系统，易对大多数实验产生电磁干扰，影响实验精度，同时振动隔离系统的制造安装精度要求很高，制造困难，成本很高。
有鉴于上述现有技术存在的问题，本发明人结合相关制造领域多年的设计及使用经验，提供一种超低振动低温恒温器，来克服上述缺陷。
发明内容
本发明的目的是提供一种超低振动低温恒温器，用以解决以低温制冷机为冷源的低温恒温器的样品台振动过大的问题，其能实现振动值为纳米级的超低振动，实验准确，成本低，适用范围广。
本发明的上述目的可采用下列技术方案来实现：
本发明提供一种超低振动低温恒温器，其包括：支架，其上能移动的设有冷头支撑平台，所述冷头支撑平台上固设低温制冷机；内真空罩，其位于所述冷头支撑平台的下方，所述内真空罩的上端通过柔性管与所述低温制冷机密封相连，所述低温制冷机的下端穿设于所述内真空罩内，所述内真空罩、所述柔性管和所述低温制冷机围设形成氦气腔，所述内真空罩上设有与所述氦气腔连通的充注管；外真空罩，其密封的罩设于所述内真空罩外，所述外真空罩内的底壁上设有样品台，所述内真空罩的下端通过减振导热片与所述样品台相连。
在优选的实施方式中，所述低温制冷机包括位于所述内真空罩内的一级冷头和二级冷头，所述一级冷头上设有一级冷头换热器，所述二级冷头上设有二级冷头换热器，所述一级冷头换热器和所述二级冷头换热器均与所述内真空罩相连。
在优选的实施方式中，所述一级冷头换热器包括上部和下部，所述上部固设于所述一级冷头，所述下部与所述内真空罩的内壁相连，所述上部和所述下部均沿周壁等间隔设有多个开缝，两两相邻的所述开缝之间形成换热片，在所述上部与所述下部相互嵌合的状态下，插设于所述开缝内的所述换热片与该开缝之间具有间隙。
在优选的实施方式中，所述二级冷头换热器包括上部和下部，所述上部固定于所述二级冷头，所述下部与所述内真空罩的内壁相连，所述上部和所述下部均沿周壁等间隔设有多个开缝，两两相邻的所述开缝之间形成换热片，在所述上部与所述下部相互嵌合的状态下，插设于所述开缝内的所述换热片与该开缝之间具有间隙。
在优选的实施方式中，所述内真空罩与所述外真空罩之间设有冷屏，所述冷屏的上端与所述一级冷头换热器相连，所述冷屏的下端与所述外真空罩相连，所述样品台位于所述冷屏内。
在优选的实施方式中，所述外真空罩的底壁上固设有样品台架，所述样品台架设有凹槽，所述样品台固设于所述凹槽内，所述冷屏的下端与所述外真空罩上的样品台架的凹槽相连。
在优选的实施方式中，所述超低振动低温恒温器还包括光学平台，所述外真空罩固设于所述光学平台上。
在优选的实施方式中，所述减振导热片设有至少两道弯曲部。
在优选的实施方式中，所述减振导热片的弯曲部的半径为5mm，所述减振导热片的厚度为0.5mm。
在优选的实施方式中，所述柔性管为橡胶波纹管，所述减振导热片由无氧铜制成。
本发明超低振动低温恒温器的特点及优点是：
1、本发明不仅能通过柔性管削弱低温制冷机在作为冷源过程中产生的振动，还能通过氦气腔内的氦气削减低温制冷机的振动，也能通过减振导热片进一步降低振动，使得减振导热片传递给样品台的振动极低，且因样品台通过样品台架固定于外真空罩的底壁上，使样品台处的振动处于超低振动水平，保证其振动值达到纳米级水平，其相较于现有技术中通过橡胶管减振而言，本发明的样品台的振动更低，降低了两个数量级，应用范围更广，其相较于现有技术中通过设置振动隔离系统进行减振而言，本发明的样品台在能保证超低振动水平的前提下，无需变频系统，不会产生电磁干扰，应用该范围更广，制造安装更容易，加工成本更低。
2、本发明以低温制冷机作为冷源，通过一级冷头换热器和二级冷头换热器冷却氦气腔内的氦气，冷却后的氦气通过二级冷头换热器的下部及减振导热片冷却样品台，使样品台实现4.2K的低温温度。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明超低振动低温恒温器的结构示意图。
附图标号说明：
1、低温制冷机；2、冷头支撑平台；3、柔性管；4、充注口；5、一级冷头换热器；6、冷屏；7、二级冷头换热器；8、减振导热片；9、样品台架；10、样品台；11、光学平台；12、外真空罩；13、二级冷头；14、氦气腔；15、一级冷头；16、支架；17、内真空罩；18、氦气；19、充注管。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
除非单独定义指出的方向以外，本文中涉及到的上、下等方向均是以本发明所示的图1中的上、下等方向为准，同时，本文中涉及到的超低振动指的是纳米级的振动，具体为振动值小于10纳米的振动，低温指的是温度低于-263℃的温度，在此一并说明。
如图1所示，本发明提供一种超低振动低温恒温器，其包括：支架16，其上能移动的设有冷头支撑平台2，所述冷头支撑平台2上固设低温制冷机1；内真空罩17，其位于所述冷头支撑平台2的下方，所述内真空罩17的上端通过柔性管3与所述低温制冷机1密封相连，所述低温制冷机1的下端穿设于所述内真空罩17腔内，所述内真空罩17、所述柔性管3和所述低温制冷机1围设形成氦气腔14，所述内真空罩17上设有与所述氦气腔14连通的充注管19；外真空罩12，其密封的罩设于所述内真空罩17外，所述外真空罩12内的底壁上设有样品台10，所述内真空罩17的下端通过减振导热片8与所述样品台10相连。
具体的，如图1所示，支架16固设于地面上，其具有底座和自底座竖直向上延伸的固定架，冷头支撑平台2大体呈平板状，其一端能沿支架16竖直上下移动，冷头支撑平台2的该端设有套筒，套筒可以与冷头支撑平台2一体成型，也可与冷头支撑平台2焊接相连，套筒套设于支架16的固定架上，并沿支架16的固定架竖直上下滑动，并可通过固定螺母等固定件将套筒固定于合适的位置，以通过调节套筒在支架16上的位置即可实现低温制冷机1的高度位置的调节。
如图1所示，本发明的内真空罩17自其上端向上延伸再弯折向下延伸形成大体的阶梯筒状，外真空罩12大体呈上端敞口的筒状，内真空罩17和外真空罩12的设置是用于减小气体传导过程中的漏热，柔性管3的两端呈密封O圈形状，以便于密封氦气，柔性管3的上端通过法兰与低温制冷机1的安装面相连，柔性管3的下端通过法兰与内真空罩17的上端相连，充注管19固设于柔性管3下端连接的法兰上并穿设于内真空罩17，充注管19的外侧设有充注口4，充注口4与氦气罐相连，以通过充注口4和充注管19向氦气腔14内充注氦气，以保持氦气腔14内部压力稳定在大气压±10Kpa范围内，进而保证柔性管3(例如橡胶波纹管)的柔性，保证柔性管3的减振性能，低温制冷机1的冷头部分穿设于内真空罩17内，内真空罩17与柔性管3和低温制冷机1的冷头部分围设形成的氦气腔14用于容纳氦气，外真空罩12的上端通过法兰与柔性管3密封相连，减少漏热。
本发明的所述柔性管3为橡胶波纹管，以通过柔性管3的设置减少低温制冷机1向样品台10传递振动，当然其也可为其他形式的柔性管，在此不做限制；本发明的减振导热片8兼具导热与减振的作用，所述减振导热片8由高纯无氧铜制成，以通过其导热性传导冷量至样品台10，所述减振导热片8设有至少两道弯曲部，其弯曲部径向向外呈弧形弯曲，以通过减振导热片8的弯曲部实现减振，所述减振导热片的弯曲部的半径为5mm，所述减振导热片的厚度为0.5mm，当然也可根据需要设置为其他尺寸，在此不做限制，如此，使得本发明的所述超低振动低温恒温器的样品台10的振动值为±10nm，实现超低振动，实验准确，成本低。
进一步的，如图1所示，所述低温制冷机1包括位于所述内真空罩17内的一级冷头15和二级冷头13，所述一级冷头15上设有一级冷头换热器5，所述二级冷头13上设有二级冷头换热器7，所述一级冷头换热器5和所述二级冷头换热器7均与所述内真空罩17相连，以通过一级冷头换热器5和二级冷头换热器7冷却位于氦气腔14内的氦气18，其中，低温制冷机1自上而下依次包括电机部分和冷头部分，低温制冷机1的电机部分位于冷头支撑平台2的上方，低温制冷机1的冷头部分位于冷头支撑平台2的下方，用于与法兰连接的安装面位于电机部分与冷头部分之间，冷头部分的一级冷头15位于二级冷头13的上方，实现逐级制冷，在稳定时，氦气腔14内一级冷头换热器5处温度为40K左右，二级冷头换热器处为4.2K的低温。
更进一步的，如图1所示，所述一级冷头换热器5包括上部和下部，所述上部固设于所述一级冷头15，所述下部与所述内真空罩17的内壁相连，所述上部和所述下部均沿周壁等间隔设有多个开缝，两两相邻的所述开缝之间形成换热片，在所述上部与所述下部相互嵌合的状态下，插设于所述开缝内的所述换热片与该开缝之间具有间隙，即开缝的壁面与换热片不接触，具体的，一级冷头换热器5的上部和下部均呈圆环形的筒状，上部通过螺栓固设于一级冷头15上，下部与内真空罩17的内壁面焊接相连，均匀开设的多个开缝能增加换热面积，提高换热速率和效率。同理，所述二级冷头换热器7包括上部和下部，所述上部固定于所述二级冷头13，所述下部与所述内真空罩17的内壁相连，所述上部和所述下部均沿周壁等间隔设有多个开缝，两两相邻的所述开缝之间形成换热片，在所述上部与所述下部相互嵌合的状态下，插设于所述开缝内的所述换热片与该开缝之间具有间隙，即开缝的壁面与换热片不接触，具体的，二级冷头换热器7的上部和下部均呈圆环形的筒状，上部通过螺栓固设于二级冷头13上，下部与内真空罩17的内壁面焊接相连，均匀开设的多个开缝能增加换热面积，提高换热速率和效率。
进一步的，如图1所示，所述内真空罩17与所述外真空罩12之间设有冷屏6，所述冷屏6的上端与所述一级冷头换热器5相连，所述冷屏6的下端与所述外真空罩12相连，所述样品台10位于所述冷屏6内，具体的，冷屏6大体呈筒状，其上端与一级冷头换热器5相连或与内真空罩17相连，以将一级冷头换热器5作为冷源，为冷屏6提供冷量，保证冷屏6的40K的低温，使样品台10、减振导热片8和低温制冷机1的部分冷头部分(例如二级冷头13)均位于冷屏6内，以减少辐射造成的冷量损失，内真空罩17与外真空罩12的上部之间及冷屏6与外真空罩12的下部之间的空间，通过真空泵组抽真空，使其内压力达到0.01Pa以下，以实现密闭的真空腔，避免气体传导漏热。
进一步的，所述外真空罩12的底壁上固设有样品台架9，所述样品台架9设有凹槽，所述样品台10固设于所述凹槽内，所述冷屏6的下端与所述外真空罩12上的样品台架9的凹槽相连，具体的，样品台架9为薄壁不锈钢管内嵌不锈钢制成，其呈凹字形，其通过螺栓固定于外真空罩12的底壁上，使其内的样品台10通过样品台架9固定于外真空罩12，以固定样品并降低漏热。
进一步的，所述超低振动低温恒温器还包括光学平台11，所述外真空罩12固设于所述光学平台11上，较佳的，外真空罩12可通过螺栓牢固的固定于光学平台11上，为外真空罩12提供支撑，减小外部振动对样品台10的影响。
本发明超低振动低温恒温器在工作时，低温制冷机1作为冷源，通过其一级冷头15、一级冷头15上的一级冷头换热器5、二级冷头13和二级冷头13上的二级冷头换热器7冷却氦气腔14内的氦气，冷却后的氦气通过固设于内真空罩17的二级冷头换热器7的下部及减振导热片8冷却样品台10，使样品台10实现4.2K的低温温度；低温制冷机1在作为冷源过程中产生的振动，会通过柔性管3削弱，也会通过氦气腔14内的氦气削减，并通过减振导热片8的进一步降低后传递给样品台10，因样品台10通过样品台架9固定于外真空罩12的底壁上，使样品台10处的振动水平极低，保证其振动值为10纳米左右。
本发明超低振动低温恒温器的特点及优点是：
1、本发明不仅能通过柔性管3削弱低温制冷机1在作为冷源过程中产生的振动，还能通过氦气腔14内的氦气削减低温制冷机1的振动，也能通过减振导热片8进一步降低振动，使得减振导热片8传递给样品台10的振动极低，且因样品台10通过样品台架9固定于外真空罩12的底壁上，使样品台10处的振动处于超低振动水平，保证其振动值为10纳米左右，其相较于现有技术中通过橡胶管减振而言，本发明的样品台10的振动更低，降低了两个数量级，应用范围更广，其相较于现有技术中通过设置振动隔离系统进行减振而言，本发明的样品台10在能保证超低振动水平的前提下，无需变频系统，不会产生电磁干扰，应用该范围更广，制造安装更容易，加工成本更低。
2、本发明以低温制冷机1作为冷源，通过一级冷头换热器5和二级冷头换热器7冷却氦气腔14内的氦气18，冷却后的氦气18通过二级冷头换热器7的下部及减振导热片8冷却样品台10，使样品台10实现4.2K的低温温度。
以上所述仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明做任何形式上的限制，虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本发明，任何所属技术领域中具有通常知识者，在不脱离本发明技术方案的范围内，当可利用上述揭示的技术内容作出些许更动或修饰为等同变化的等效实施例，但凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。
Claims (8)
1.一种超低振动低温恒温器，其特征在于，所述超低振动低温恒温器包括：
支架，其上能移动的设有冷头支撑平台，所述冷头支撑平台上固设低温制冷机；
内真空罩，其位于所述冷头支撑平台的下方，所述内真空罩的上端通过柔性管与所述低温制冷机密封相连，所述低温制冷机的下端穿设于所述内真空罩内，所述内真空罩、所述柔性管和所述低温制冷机围设形成氦气腔，所述内真空罩上设有与所述氦气腔连通的充注管；
外真空罩，其密封的罩设于所述内真空罩外，所述外真空罩内的底壁上设有样品台，所述内真空罩的下端通过减振导热片与所述样品台相连；
所述低温制冷机包括位于所述内真空罩内的一级冷头和二级冷头，所述一级冷头上设有一级冷头换热器，所述二级冷头上设有二级冷头换热器，所述一级冷头换热器和所述二级冷头换热器均与所述内真空罩相连；
所述内真空罩与所述外真空罩之间设有冷屏，所述冷屏的上端与所述一级冷头换热器相连，所述冷屏的下端与所述外真空罩相连，所述样品台位于所述冷屏内。
2.根据权利要求1所述的超低振动低温恒温器，其特征在于，所述一级冷头换热器包括上部和下部，所述上部固设于所述一级冷头，所述下部与所述内真空罩的内壁相连，所述上部和所述下部均沿周壁等间隔设有多个开缝，两两相邻的所述开缝之间形成换热片，在所述上部与所述下部相互嵌合的状态下，插设于所述开缝内的所述换热片与该开缝之间具有间隙。
3.根据权利要求1所述的超低振动低温恒温器，其特征在于，所述二级冷头换热器包括上部和下部，所述上部固定于所述二级冷头，所述下部与所述内真空罩的内壁相连，所述上部和所述下部均沿周壁等间隔设有多个开缝，两两相邻的所述开缝之间形成换热片，在所述上部与所述下部相互嵌合的状态下，插设于所述开缝内的所述换热片与该开缝之间具有间隙。
4.根据权利要求1所述的超低振动低温恒温器，其特征在于，所述外真空罩的底壁上固设有样品台架，所述样品台架设有凹槽，所述样品台固设于所述凹槽内，所述冷屏的下端与所述外真空罩上的样品台架的凹槽相连。
5.根据权利要求1所述的超低振动低温恒温器，其特征在于，所述超低振动低温恒温器还包括光学平台，所述外真空罩固设于所述光学平台上。
6.根据权利要求1所述的超低振动低温恒温器，其特征在于，所述减振导热片设有至少两道弯曲部。
7.根据权利要求6所述的超低振动低温恒温器，其特征在于，所述减振导热片的弯曲部的半径为5mm，所述减振导热片的厚度为0.5mm。
8.根据权利要求1所述的超低振动低温恒温器，其特征在于，所述柔性管为橡胶波纹管，所述减振导热片由无氧铜制成。
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