CN107727481B - 基于小型低温制冷机的长距离冷量传递装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种基于小型低温制冷机的长距离冷量传递装置，其包括真空腔和固设于所述真空腔内的小型低温制冷机，所述真空腔的下端与盛装待测试样品的测试腔能拆卸的密封相连，所述真空腔内设置冷屏，所述小型低温制冷机的下部穿设于所述冷屏内，所述小型低温制冷机的下端固设第一换热器，所述测试腔内设有能与待测试样品热交换的第二换热器，所述第一换热器与所述第二换热器之间通过循环管路相连，所述循环管路位于所述冷屏内。本发明能满足测试空间安装要求，方便样品的低温测试，适用范围广。

Description

基于小型低温制冷机的长距离冷量传递装置

技术领域

本发明属于制冷与低温工程技术领域，具体是一种基于小型低温制冷机的长距离冷量传递装置。

背景技术

目前，超导材料研究、电磁学、低温光学等领域所用到的低温系统，不仅对低温样品台的温度、冷量、降温时间、温度范围等有要求，还对制冷机的安装尺寸等提出了极其严格的需求。

小型低温制冷机是现有技术中获得极低温的重要设备，在以小型低温制冷机为冷源的冷却系统中，样品往往通过直接接触或间接使用冷链的方式与制冷机冷头连接，以此达到冷却样品的目的，然而，通过与冷头的直接接触降温，虽然样品降温迅速且易控温，但是样品与冷头的连接又受限于其形状、大小、重量、更换的简易程度等，适用范围受限，同时，虽然通过冷链转接可以有效解决上述部分问题，但是样品的降温时间会随之增长、最低温度也会受限。

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，提供一种基于小型低温制冷机的长距离冷量传递装置，来克服上述缺陷。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于小型低温制冷机的长距离冷量传递装置，其能满足测试空间安装要求，方便样品的低温测试，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：

本发明提供一种基于小型低温制冷机的长距离冷量传递装置，其包括真空腔和固设于所述真空腔内的小型低温制冷机，所述真空腔的下端与盛装待测试样品的测试腔能拆卸的密封相连，所述真空腔内设置冷屏，所述小型低温制冷机的下部穿设于所述冷屏内，所述小型低温制冷机的下端固设第一换热器，所述测试腔内设有能与待测试样品热交换的第二换热器，所述第一换热器与所述第二换热器之间通过循环管路相连，所述循环管路位于所述冷屏内。

在优选的实施方式中，所述循环管路包括冷量输入管和回气管，所述冷量输入管连接于所述第一换热器的出口与所述第二换热器的入口之间，所述回气管连接于所述第二换热器的出口与所述第一换热器的入口之间。

在优选的实施方式中，所述冷量输入管为真空夹层管。

在优选的实施方式中，所述回气管包括竖直段和弯折段，所述竖直段的下端与所述第二换热器相连，所述竖直段的上端与所述弯折段的一端相连，所述弯折段的另一端与所述第一换热器的入口相连，所述竖直段套设于所述冷量输入管外。

在优选的实施方式中，所述真空腔的下端具有下开口，所述下开口处设有上连接法兰，所述测试腔的上端具有上开口，所述上开口处设有下连接法兰，所述真空腔与所述测试腔通过所述上连接法兰和所述下连接法兰能拆卸的密封相连。

在优选的实施方式中，所述冷屏的下端的外壁与所述真空腔的下端的内壁之间设有第一绝热隔离支撑件。

在优选的实施方式中，所述冷屏的下端具有下敞口，所述冷屏的下端的内壁与所述第二换热器之间设有第二绝热隔离支撑件，所述循环管路穿设于所述第二绝热隔离支撑件内。

在优选的实施方式中，所述基于小型低温制冷机的长距离冷量传递装置还包括低温循环风机，所述低温循环风机串联于所述循环管路的回气管上。

在优选的实施方式中，所述基于小型低温制冷机的长距离冷量传递装置还包括气体储罐，所述气体储罐上设有补气抽空接口，所述气体储罐与所述循环管路的回气管相连通。

在优选的实施方式中，所述小型低温制冷机包括一级冷头和二级冷头，所述冷屏固设于所述一级冷头处，所述第一换热器固设于所述二级冷头处，所述第一换热器与所述二级冷头之间夹设铟片。

本发明基于小型低温制冷机的长距离冷量传递装置的特点及优点是：

1、本发明通过小型低温制冷机作为冷源，以为第一换热器提供冷量，使第一换热器、第二换热器和循环管路形成的循环系统在运行时，无需补充额外的低温介质，仅需供电即可实现一键操作，快捷方便，成本低，而且，第一换热器和循环管路位于冷屏内，并通过小型低温制冷机为冷屏提供冷量，以为第一换热器和循环系统提供低温环境，减少漏热，同时，通过真空腔提供真空环境，使气体的对流换热非常小，减少系统漏热，同时，通过设置于冷屏内的真空夹层状的冷量输入管的设置，能实现将冷量输送至位置较远的、空间要求高的且温度要求低的测试位置，满足样品低温测试，还能保证输送过程中的冷量尽可能少的损失。

2、本发明的盛装待测试样品的测试腔与小型低温制冷机不在同一空间内，适用于测试位置空间紧凑或多变的各种需求，满足测试空间的各种安装要求，当样品的形状、尺寸或重量发生变化，或者样品需要单独测试时，可通过改变测试腔的结构或构造而无需改变真空腔及其内的小型低温制冷机、冷屏等结构，成本低，而且，第二换热器可独立设置，其能根据待测试样品的形状、尺寸和重量的需求而设置为各种合适的形状，使用方便，适用范围广。

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为本发明基于小型低温制冷机的长距离冷量传递装置的结构示意图；

图2为本发明基于小型低温制冷机的长距离冷量传递装置的应用结构示意图。

附图标号说明：

1、小型低温制冷机；2、真空腔；3、冷屏；4、第一换热器；5、冷量输入管；6、第一绝热隔离支撑件；7、第二绝热隔离支撑件；8、上连接法兰；9、第二换热器；10、回气管；11、气体储罐；12、低温循环风机；13、补气抽空接口；14、一级冷头；15、二级冷头；16、测试腔。

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，在此一并说明。

如图1和图2所示，本发明提供一种基于小型低温制冷机的长距离冷量传递装置，其包括真空腔2和固设于所述真空腔2内的小型低温制冷机1，所述真空腔2的下端与盛装待测试样品的测试腔16能拆卸的密封相连，所述真空腔2内设置冷屏3，所述小型低温制冷机1的下部穿设于所述冷屏3内，所述小型低温制冷机1的下端固设第一换热器4，所述测试腔16内设有能与待测试样品热交换的第二换热器9，所述第一换热器4与所述第二换热器9之间通过循环管路相连，所述循环管路位于所述冷屏3内。

具体的，本发明的真空腔2用以提供真空环境，以利于在真空环境下，特别是高真空环境下，使得气体的对流换热会非常小，减少系统漏热，真空腔2大体呈箱状或筒状，真空腔2的纵截面呈T形，冷屏3用以减少辐射漏热，更好的保持冷屏3内的低温环境，冷屏3大体呈箱状或筒状，冷屏3的纵截面均呈T形，冷屏3的形状与真空腔2的形状相匹配，以充分利用真空腔2的空间，其中，真空腔2具有上部和下部，其上部大体呈箱状或筒状，其下部大体呈长条状或管状，冷屏3也具有与真空腔2的上部和下部分别对应的上部和下部，冷屏3的下部也大体呈长条状或管状，冷屏3的下部穿设于真空腔2的下部内，且冷屏3的下端与真空腔2的下端平齐。

本发明涉及的低温指的是介于4K～77K(即-269.15℃～-196.15℃)之间的温度范围，气体介质可选择氦气、氖气或氮气，具体的，可根据所需温区的不同，而选择不同的气体介质，例如，如果需要工作在77K温区，则可选用氮气，如需工作在25K温区，则可选用氖气，如需工作在4K温区，则可选用氦气，其中，适用于低温温区的气体介质同样也可用于高温温区，例如，氦气也可用于77K温区和25K温区，其中，冷屏3的温度由其和真空腔2辐射所产生的辐射漏热及小型低温制冷机1一级冷头提供的冷量来决定，一般比第一换热器4输出的气体温度略高。

本发明的小型低温制冷机1是获得极低温的重要设备，该小型低温制冷机1可为GM制冷机或脉管制冷机等，该小型低温制冷机1的制冷温度范围为1K～120K(即-272.15℃～-153.15℃)，该小型低温制冷机1的制冷量范围为几毫瓦至1千瓦，且其制冷气缸、活塞等的集成长度小于400mm、制冷气缸的直径小于100mm；该小型低温制冷机1固设于真空腔2的顶壁，其头部的马达穿出真空腔2的顶壁而位于真空腔2的顶壁外，以为小型低温制冷机1提供动力，小型低温制冷机1的气缸和冷头部分则位于真空腔2内，为保证密封，可在小型低温制冷机1于真空腔2的顶壁之间设置O型密封圈。

进一步的，如图1所示，所述小型低温制冷机1包括一级冷头14和二级冷头15，所述冷屏3固设于所述一级冷头14处，以通过一级冷头14为冷屏3提供所需冷量，即作为冷屏3的冷源，以保持冷屏3内的低温环境，所述第一换热器4固设于所述二级冷头15处，以通过二级冷头15为第一换热器4提供冷量，使进入第一换热器4内的气体被降温冷却，所述第一换热器4与所述二级冷头15之间夹设铟片，以减小换热热阻，更好的进行冷量传递，较佳的，一级冷头14的边缘和二级冷头的端面均匀分布多个螺纹孔，冷屏3可通过螺钉固定于小型低温制冷机1的一级冷头14上，第一换热器4可通过螺钉固定于小型低温制冷机1的二级冷头15上，当然，也可采用其他连接方式，在此不做限制。

本发明的所述第一换热器4和所述第二换热器9均由无氧铜制成，且第一换热器4内可设置有直肋、针肋、环肋、套片等肋片型式，以更好的进行温度传递，第二换热器9内也可设置有直肋、针肋、环肋、套片等肋片型式，以更好的进行温度传递，第一换热器4可以通过螺栓固定于小型低温制冷机1的二级冷头15上，以通过二级冷头15为第一换热器4提供冷量，并保证二者之间的稳固连接，第二换热器9呈柱状，其入口和出口均位于上表面，其通过循环管路悬吊于测试腔16内，以便于与盛装在测试腔16内的待测试样品直接接触，其能选择各种形状的测试腔16盛装待测试样品，也便于各种形状和形态的样品的测试。

进一步的，如图1和图2所示，所述循环管路包括冷量输入管5和回气管10，所述冷量输入管5连接于所述第一换热器4的出口与所述第二换热器9的入口之间，所述回气管10连接于所述第二换热器9的出口与所述第一换热器4的入口之间，具体的，所述冷量输入管5为真空夹层管，以保证冷量传输过程中尽可能少的损失，其中，冷量输入管5可为刚性真空夹层管，例如，刚性真空夹层管由不锈钢制成，或者，其也可为柔性真空夹层管，例如柔性真空夹层管由不锈钢制成，其可为编织状的真空夹层管，也可为波纹管状的真空夹层管，其插拔方便，允许微小的安装误差，便于安装时位置误差的调节，较佳的，冷量输入管5的最大长度为5米，远远大于现有技术中在同一腔室内制冷机到样品的距离，实现长距离冷量传递，当然，其也可根据实际需要设定为其他长度。

更进一步的，如图1所示，所述回气管10包括竖直段和弯折段，所述竖直段的下端与所述第二换热器9相连，所述竖直段的上端与所述弯折段的一端相连，所述弯折段的另一端与所述第一换热器4的入口相连，所述竖直段套设于所述冷量输入管5外，使气体通过回气管10的竖直段与冷量输入管5之间的环空进入回气管10的弯折段再返回第一换热器4内时，能对穿设于回气管10内的冷量输入管5同时进行冷却，保证冷量传输，减少损失，而且还能为冷屏3的下部提供冷量，即作为冷屏3的冷源，保证冷屏3的低温环境，也即回气管10的竖直段与部分冷量输入管5组成了复合管。

进一步的，如图1所示，所述真空腔2的下端具有下开口，所述下开口处设有上连接法兰8，所述测试腔16的上端具有上开口，所述上开口处设有下连接法兰(图中未示出)，所述真空腔2与所述测试腔16通过所述上连接法兰8和所述下连接法兰能拆卸的密封相连，既便于实现真空隔离，又便于选择各种形状的测试腔16盛装待测试样品，满足测试空间安装要求和测试空间大小需求，方便测试，适用范围广。

更进一步的，在真空腔2与测试腔16密封连接后，可通过真空泵实现真空腔2内抽真空，以实现普通真空环境(当常温时其内压力小于10Pa即可，或者，在真空泵的后端再加一个分子泵，形成分子泵组，以对真空腔2抽真空，实现高真空环境(其内压力介于1×10^-1～1×10^-6Pa)，也可通过对真空腔2的内表面和真空腔2内的所有部件进行去油、抛光处理，减少放气，以通过真空泵与的结合，实现真空腔2内的超高真空环境(其内压力介于1×10^-6～1×10^-10Pa)，即其不仅适用于普通真空系统、高真空系统，还能通过表面处理及烘烤应用于超高真空系统。

在一实施例中，所述冷屏3的下端的外壁与所述真空腔2的下端的内壁之间设有第一绝热隔离支撑件6，也即第一绝热隔离支撑件6设于第二换热器9的附近，第一绝热隔离支撑件6为常温的绝热隔离支撑件(其中，此处的常温指的是300K，也即大约为27℃)，其大体呈筒状，以隔离封闭真空腔2的下端与冷屏3的下端之间的环空，第一绝热隔离支撑件6由薄壁不锈钢钢管制成，其一端与真空腔2的下端的内壁密封焊接相连，其另一端与冷屏3的下端的外壁密封焊接相连，以更好的起到隔离作用，实现漏热可控，以更好的适用于空间紧凑的超高真空系统。

在另一实施例中，所述冷屏3的下端具有下敞口，以便于循环管路穿设，所述冷屏3的下端的内壁与所述第二换热器9之间设有第二绝热隔离支撑件7，所述循环管路穿设于所述第二绝热隔离支撑件7内，第二绝热隔离支撑件7为低温的绝热隔离支撑件(其中，低温指的是4K～77K，也即-269.15℃～-196.15℃)，其大体呈筒状，以隔离封闭冷屏3的下端与第二换热器9之间的间隔空隙，第二绝热隔离支撑件7由薄壁不锈钢钢管制成，其一端与冷屏3的下端的内壁密封焊接相连，其另一端与第二换热器9的上表面的两端密封焊接相连，使位于第二换热器9上表面的其入口和出口均被密封隔离在冷屏3内，以更好的起到隔离作用，实现漏热可控。

进一步的，所述基于小型低温制冷机的长距离冷量传递装置还包括低温循环风机12，以为气体介质的循环提供循环动力，所述低温循环风机12串联于所述循环管路的回气管10上，即低温循环风机12的入口通过下段回气管10与第二换热器9相连，并通过上段回气管10与第一换热器4相连，具体的，低温循环风机12的低温范围与回气管10内的气体温度相适应，因普通风机不能在低温环境中使用，故选用低温循环风机，低温循环风机为现有技术中已知的结构(其叶轮设在真空系统内部，以减少自身漏热，而电机设在常温的外部，二者之间通过细长不锈钢管连接，以带动实现其叶轮转动)，其能强化气体循环，特别是当循环阻力较大或传输距离较长时，能有效带动由第一换热器4、第二换热器9和循环管路组成的循环系统内的气体的循环流动，保证低温环境，例如，低温循环风机12可选择Cryozone品牌的Neyol产品或者Tramontana产品。

进一步的，所述基于小型低温制冷机的长距离冷量传递装置还包括气体储罐11，所述气体储罐11上设有补气抽空接口13，所述气体储罐11与所述循环管路的回气管10相连通，具体的，所述气体储罐11由不锈钢、铝合金或橡胶制成，第一换热器4、第二换热器9和循环管路组成闭式循环系统，气体储罐11通过不锈钢管路与循环系统中的回气管10相连通，以通过气体储罐11的设置，补充该循环系统降温后循环系统内的气体，同时当循环系统复温后，保证该循环系统内的压力不会过高，即气体储罐11内存储一定的气体，保证高低温条件下循环系统内的压力变化尽可能小，保证使用安全，较佳的，与气体储罐11相连的不锈钢管路相接于回气管10上低温循环风机12的下游，也即，第一换热器4的入口分别与低温循环风机12的出口和气体储罐11相连，其中，气体储罐11是根据该循环系统低温下的容积而设置，另外，通过补气抽空接口13的设置，能实现循环系统的初始置换抽空和补气，还能实现在发生泄漏或污染后，通过补气抽空接口13将循环系统和气体储罐11内的气体进行抽空更换或补充。

本发明基于小型低温制冷机的长距离冷量传递装置是利用气体作为循环介质，其在工作前，先通过抽吸泵(或者其他类型的泵)连接于补气抽空接口13，将循环系统内的气体抽空并补充如新的气体，其在工作时，首先将第一换热器4中的气体介质经小型低温制冷机1提供的冷量冷却降温，然后通过冷量输入管5将第一换热器4内被冷却的气体介质输送到第二换热器9中，以通过第二换热器9将冷量导出传递至位于测试腔16的待测试样品位置，以为长距离的待测试样品提供低温测试环境，进行过冷热交换的第二换热器9内的气体介质升温，升温后的气体介质从第二换热器9经回气管10重新回到第一换热器4中进行降温，如此循环，实现冷量的连续的长距离转移；当设置低温循环风机12时，可在使用时，开启低温循环风机12，使位于回气管10内的气体介质被增压后进入第一换热器4，加强气体循环。

本发明通过小型低温制冷机1作为冷源，以为第一换热器4提供冷量，使第一换热器4、第二换热器9和循环管路形成的循环系统在运行时，无需补充额外的低温介质，仅需供电即可实现一键操作，快捷方便，成本低，而且，第一换热器4和循环管路位于冷屏3内，并通过小型低温制冷机1产生的冷量为冷屏3提供冷源，以为第一换热器4和循环系统提供低温环境，减少辐射漏热，同时，通过真空腔2提供真空环境，使气体的对流换热非常小，减少系统漏热，同时，通过设置于冷屏3内的真空夹层状的冷量输入管5的设置，能实现将冷量输送至位置较远的、空间要求高的且温度要求低的测试位置，还能保证输送过程中的冷量尽可能少的损失。

本发明的盛装待测试样品的测试腔16与小型低温制冷机1不在同一空间内，适用于测试位置空间紧凑或多变的各种需求，当样品的形状、尺寸或重量发生变化，或者样品需要单独测试时，可通过改变测试腔16的结构或构造而无需改变真空腔2及其内的小型低温制冷机1、冷屏3等结构，成本低，而且，第二换热器9可独立设置，其能根据待测试样品的形状、尺寸和重量的需求而设置为各种合适的形状，使用方便，适用范围广。

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 (9)

1.一种基于小型低温制冷机的长距离冷量传递装置，其特征在于，所述基于小型低温制冷机的长距离冷量传递装置包括真空腔和固设于所述真空腔内的小型低温制冷机，所述真空腔的下端与盛装待测试样品的测试腔能拆卸的密封相连，所述真空腔内设置冷屏，所述小型低温制冷机的下部穿设于所述冷屏内，所述小型低温制冷机的下端固设第一换热器，所述测试腔内设有能与待测试样品热交换的第二换热器，所述第一换热器与所述第二换热器之间通过循环管路相连，所述循环管路位于所述冷屏内；

所述循环管路包括冷量输入管和回气管；所述基于小型低温制冷机的长距离冷量传递装置还包括低温循环风机，所述低温循环风机串联于所述循环管路的回气管上。

2.根据权利要求1所述的基于小型低温制冷机的长距离冷量传递装置，其特征在于，所述冷量输入管连接于所述第一换热器的出口与所述第二换热器的入口之间，所述回气管连接于所述第二换热器的出口与所述第一换热器的入口之间。

3.根据权利要求2所述的基于小型低温制冷机的长距离冷量传递装置，其特征在于，所述冷量输入管为真空夹层管。

4.根据权利要求2或3所述的基于小型低温制冷机的长距离冷量传递装置，其特征在于，所述回气管包括竖直段和弯折段，所述竖直段的下端与所述第二换热器相连，所述竖直段的上端与所述弯折段的一端相连，所述弯折段的另一端与所述第一换热器的入口相连，所述竖直段套设于所述冷量输入管外。

5.根据权利要求1所述的基于小型低温制冷机的长距离冷量传递装置，其特征在于，所述真空腔的下端具有下开口，所述下开口处设有上连接法兰，所述测试腔的上端具有上开口，所述上开口处设有下连接法兰，所述真空腔与所述测试腔通过所述上连接法兰和所述下连接法兰能拆卸的密封相连。

6.根据权利要求5所述的基于小型低温制冷机的长距离冷量传递装置，其特征在于，所述冷屏的下端的外壁与所述真空腔的下端的内壁之间设有第一绝热隔离支撑件。

7.根据权利要求1或6所述的基于小型低温制冷机的长距离冷量传递装置，其特征在于，所述冷屏的下端具有下敞口，所述冷屏的下端的内壁与所述第二换热器之间设有第二绝热隔离支撑件，所述循环管路穿设于所述第二绝热隔离支撑件内。

8.根据权利要求1所述的基于小型低温制冷机的长距离冷量传递装置，其特征在于，所述基于小型低温制冷机的长距离冷量传递装置还包括气体储罐，所述气体储罐上设有补气抽空接口，所述气体储罐与所述循环管路的回气管相连通。

9.根据权利要求1所述的基于小型低温制冷机的长距离冷量传递装置，其特征在于，所述小型低温制冷机包括一级冷头和二级冷头，所述冷屏固设于所述一级冷头处，所述第一换热器固设于所述二级冷头处，所述第一换热器与所述二级冷头之间夹设铟片。

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