CN108252896B - 一种快速降温型低温泵及其降温方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种快速降温型低温泵，包括壳体、双级GM制冷机系统、辐射冷屏、低温板以及引入外部制冷液体的液冷源馈入部件，所述液冷源馈入部件包括中空直线导入器、馈入管路、液冷源容器、导冷块。调节所述中空直线导入器，可带动所述馈入管路的移动，实现安装于液冷源容器上的导冷块与所述一级冷却台的接触和分离。本发明还公开了该低温泵的制冷方法。相比于现有技术，本发明具有成本较低、控制过程简易、可实现快速制冷等特点。

Description

一种快速降温型低温泵及其降温方法

技术领域

本发明属于低温制冷技术领域，具体涉及一种低温泵。

背景技术

低温泵是利用低温表面冷凝气体的真空泵，又称冷凝泵。低温泵可以获得抽气速率最大、极限压力最低的清洁真空，广泛应用于半导体和集成电路的研究和生产，以及分子束研究、真空镀膜设备、真空表面分析仪器、离子注入机和空间模拟装置等方面。工业生产与科研领域广泛使用的是一种基于双级GM制冷机的小型低温泵。小型低温泵一般具有处在不同温区的两级冷板。工作时，一级温度维持在65-80K，二级温度为10-15K左右。受制于GM制冷机的制冷量和制冷效率的限制，小型低温泵从常温启动至到达工作温度的降温时间一般不低于90分钟。

为了缩短了低温泵的冷却时间，中国专利申请CN105715510A公开了一种低温泵。该低温泵具备：低温板；制冷机，冷却所述低温板，并且具备驱动所述制冷机的制冷机马达以及控制所述制冷机马达的运行频率的制冷机变频器；以及控制部，控制所述制冷机以执行使所述低温板的温度从室温降低至标准运行温度的降温运行。该方案中需在常规低温泵控制系统中增加制冷机变频器，成本较高，而且增加了控制过程的复杂程度。

发明内容

本发明针对现有的技术问题作出改进，即发明所要解决的技术问题是提供一种成本较低、控制过程简易的快速降温型低温泵及其降温方法。

本发明的技术方案为：

一种快速降温型低温泵，包括壳体、双级GM制冷机系统、辐射冷屏和低温板，所述双级GM制冷机系统包括具备较低温度的一级冷却台和具备更低温度的二级冷却台，所述辐射冷屏安装于一级冷却台上并与其热连接，所述低温板安装于二级冷却台上并与其热连接，其特征在于，还包括用于引入外部制冷液体的液冷源馈入部件，所述液冷源馈入部件包括：中空直线导入器，包括并联的旋转驱动轴和波纹管、位于所述波纹管两端的波纹管接口部件，所述波纹管通过其一端的波纹管接口部件密封安装于所述壳体上；馈入管路，密封安装于所述波纹管远离壳体一端的波纹管接口部件上，且从所述壳体外经所述波纹管伸入所述壳体内；液冷源容器，固定于壳体内馈入管路的端部，接收存储经所述馈入管路馈入的制冷液体；以及导冷块，由蓄冷材质制成，与所述液冷源容器固定热连接，且具备面向所述一级冷却台的热接触面，调节所述旋转驱动轴，可带动所述馈入管路的移动，实现安装于液冷源容器上的导冷块与所述一级冷却台的接触和分离。

进一步，所述一级冷却台为圆柱状，所述馈入管路位于所述壳体内的部分为沿所述一级冷却台径向布置的直线管路，所述热接触面与为与所述一级冷却台圆柱侧面相匹配的凹圆弧形。

进一步，所述导冷块和所述液冷源容器为一体结构。

进一步，所述波纹管远离壳体一端的波纹管接口部件与一密封板固定连接，该密封板上设有供所述馈入管路进出的一对通孔。

上述快速降温型低温泵的制冷方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤S101，调节所述旋转驱动轴，使所述导冷块与所述一级冷却台热接触；

步骤S102，通过所述馈入管路向所述液冷源容器内通入制冷液体，直至所述一级冷却台温度降低至设定值；

步骤S103，停止通入制冷液体，调节所述旋转驱动轴，使所述导冷块与所述一级冷却台分离。

采用上述结构的快速降温型低温泵，由于引入了液冷源馈入部件，将外部制冷液体引入低温泵壳体内，实现低温泵的快速制冷；同时，液冷源馈入部件可调节导冷块与一级冷却台的接触和分离，实现对一级冷却台制冷的灵活控制；此外，相比于现有技术中增加制冷机变频器的方案，本发明具有结构简易、成本低廉、操作简易的特点。

附图说明

图1是本发明提供的快速降温型低温泵原理图。

图2是快速降温型低温泵中的液冷源馈入部件的示意图。

具体实施方式

以下描述用于揭露本发明以使本领域技术人员能够实现本发明。以下描述中的优选实施例只作为举例，本领域技术人员可以想到其他显而易见的变型。

关于本文中所使用的方向用语，例如：上、下、左、右等，仅是参考附图的方向，用来说明并非用来限制本创作。

如图1和图2所示，本发明实施例提供的低温泵包括壳体1、辐射冷屏2、低温板3、双级GM制冷机系统以及液冷源馈入部件6。双级GM制冷机系统为低温板3工作提供必要的低温条件，是一套包括膨胀机7、压缩机(图中未示出)以及连接管路(图中未示出)的循环氦气制冷系统。壳体1安装于膨胀机上7，其上部设有吸气的开口。膨胀机7上设有伸入壳体1内的冷头5，该冷头5包括相互连接的均呈圆柱状的一级冷却台51和二级冷却台52。辐射冷屏2为带底盖板2a和顶盖板2b的、与一级冷却台51和二级冷却台52同轴的圆筒形，其底盖板2a上设有供二级冷却台52穿过的第一通孔，底盖板2a与GM制冷机一级冷却台51通过法兰面紧密连接以保持良好的传热效果。辐射冷屏2的顶盖板2b设有圆形、方形、直线状或曲线状延伸的狭缝的第二通孔，设有第二通孔的目的是便于低温泵吸气口的气体流入到辐射冷屏2内的低温板3处。辐射冷屏2的作用是为低温板3提供必要的防热辐射保护，工作时辐射冷屏2处于65-80K左右的温度。位于辐射冷屏2内的低温板3多采用宝塔状堆垛结构以增大冷凝表面积，低温板3与制冷机二级冷却台52连接以保持10K左右的低温状态。低温泵抽空开机后，由高压氦气膨胀产生的制冷机的冷量通过一系列传热结构使得辐射冷屏2以及低温板3降温。一般情形下低温板3从约300K的室温降温至20K所需要的时间约90min。

这里重点对本实施例低温泵与常规低温泵的不同点，即液冷源馈入部件6进行详细叙述。液冷源馈入部件6包括导冷块62、液冷源容器63、馈入管路65以及中空直线导入器4。其中，中空直线导入器4为现有技术，优选市场上现有的ICF70-LMT-S型中空直线导入器，其包括相互并联的旋转驱动轴4a、波纹管4b以及位于波纹管4b两端的左侧波纹管接口部件4c和右侧波纹管接口部件4d。中空直线导入器4可通过调节旋转驱动轴4a，实现波纹管部件4b的长度的调节，使得左侧波纹管接口部件4c和右侧波纹管接口部件4d的距离发生变化。左侧波纹管接口部件4c通过法兰盘接口形式密封固定安装于壳体1上。馈入管路65从右侧波纹管接口部件4d伸入波纹管部件4b并从中穿出，其端部连接液冷源容器63。馈入管路65从右侧接口部件4d之间可以以任何公知的方式密封连接，例如本实施例中，右侧接口部件4d右端密封固定连接密封板66，同时密封板66上设有可供馈入管路65进出管道穿过的一对通孔。液冷源容器63用于接收存储经所述馈入管路65馈入的制冷液体，其与蓄冷材质的导冷块62热连接，且两者均位于真空泵内部。馈入管路65为双管路结构，一进一出。通过向馈入管路65输送外部的制冷液体，实现液冷源容器63及导冷块的快速制冷。中空直线导入器4的运动方向直接指向一级冷却台51的侧面。通过旋转驱动轴4a的调节，可实现导冷块62与一级冷却台51的热接触和分离。作为优选，馈入管路65伸入所述壳体内的部分为直线管路，中空直线导入器4驱动馈入管路65(即导冷块62)沿一级冷却台51的径向运动。同时，导冷块62面向一级冷却台51的圆柱状侧面设有与一级冷却台51相匹配的凹圆弧形侧面，使得两者更好的接触。为了便于加工和安装，导冷块62与液冷源容器63也可制成一体结构的形式。

基于上述快速降温型低温泵的快速制冷方法如下：当低温泵系统抽空完成开始降温时，移动中空直线驱动器的旋转驱动轴4a，使得导冷块62与一级冷却台51紧密接触，通过馈入管路65向液冷源容器63内通入低温液体(如液氮)，从而使得低温泵一级温度快速达到77K左右，通过气缸内气体热传导方式二级冷却台52温度也将实现显著降低。继续保持馈入液冷源一段时间使得一二级冷却台得到充分预冷，此时停止低温液体馈入，并驱旋转驱动轴4a使得导冷块62离开一级冷却台51。此后，G-M制冷机再工作较短时间便可使得二级温度达到10K左右的工作温度。综合来看，该方式带来的预冷作用将显著缩短常规GM制冷机低温泵的降温时间。

以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明的范围内。本发明的保护范围由所附的权利要求书及其等同物界定。

Claims (5)

1.一种快速降温型低温泵，包括壳体、双级GM制冷机系统、辐射冷屏和低温板，所述双级GM制冷机系统包括具备较低温度的一级冷却台和具备更低温度的二级冷却台，所述辐射冷屏安装于一级冷却台上并与其热连接，所述低温板安装于二级冷却台上并与其热连接，其特征在于，还包括用于引入外部制冷液体的液冷源馈入部件，所述液冷源馈入部件包括：

中空直线导入器，包括并联的旋转驱动轴和波纹管、位于所述波纹管两端的波纹管接口部件，所述波纹管通过其一端的波纹管接口部件密封安装于所述壳体上；

馈入管路，密封安装于所述波纹管远离壳体一端的波纹管接口部件上，且从所述壳体外经所述波纹管伸入所述壳体内；

液冷源容器，固定于壳体内馈入管路的端部，接收存储经所述馈入管路馈入的制冷液体；以及

导冷块，由蓄冷材质制成，与所述液冷源容器固定热连接，且具备面向所述一级冷却台的热接触面，

调节所述旋转驱动轴，可带动所述馈入管路的移动，实现安装于液冷源容器上的导冷块与所述一级冷却台的接触和分离。

2.根据权利要求1所述的快速降温型低温泵，其特征在于，所述一级冷却台为圆柱状，所述馈入管路位于所述壳体内的部分为沿所述一级冷却台径向布置的直线管路，所述热接触面为与所述一级冷却台圆柱侧面相匹配的凹圆弧形。

3.根据权利要求1或2所述的快速降温型低温泵，其特征在于，所述导冷块和所述液冷源容器为一体结构。

4.根据权利要求1或2所述的快速降温型低温泵，其特征在于，所述波纹管远离壳体一端的波纹管接口部件与一密封板固定连接，该密封板上设有供所述馈入管路进出的一对通孔。

5.一种权利要求1所述的快速降温型低温泵的制冷方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤S101，调节所述旋转驱动轴，使所述导冷块与所述一级冷却台热接触；

步骤S102，通过所述馈入管路向所述液冷源容器内通入制冷液体，直至所述一级冷却台温度降低至设定值；

步骤S103，停止通入制冷液体，调节所述旋转驱动轴，使所述导冷块与所述一级冷却台分离。