CN108387064A - 低温恒温器 - Google Patents

Abstract

一种低温恒温器，包括室温容器、低温容器及制冷机构。室温容器包括室温罐体、外颈管及封头，室温罐体开设第一开孔，封头盖设于室温罐体，封头上开设第二开孔和第三开孔，第一开孔与第三开孔对应，外颈管与第二开孔对应且穿过第二开口外露于封头，外颈管的外周与封头的第二开口之间密封接触。低温容器包括低温罐体、内颈管及液化室，内颈管与液化室独立，且均与低温罐体连通，低温容器容纳于室温罐体内；部分液化室位于室温罐体内，液化室与第一开孔对应，且穿过第一开孔。制冷机构包括设备盘和制冷设备，设备盘设置于封头上，制冷设备包括机体和冷指，机体设置于设备盘上，冷指与机体连接，并伸入液化室内。

Description

低温恒温器

技术领域

本发明涉及冷却技术领域，特别涉及一种低温恒温器。

背景技术

高纯锗探测器是20世纪70年代发展起来的一种新型半导体辐射探测器，因其具有分辨率高、探测效率高、性能稳定、线性范围宽等优点，在核电、环境、检验检疫、生物医学、天体物理与化学、地质、法学、考古学、冶金和材料科学等诸多科学与社会领域得到了越来越广泛的应用。

锗的能带间隔只有0.665ev,分子热运动所导致的大量漏电流，使得任何一种锗探测器都无法在室温下工作，必须置于一定的低温环境下工作。目前大多数锗探测器选用冷指插入液氮的制冷方式。为保证探测器长期稳定运行需定期向探测器杜瓦内灌注液氮，特别是针对偏远山区，极大的增加了操作难度和运行成本，增加了操作人员处理低温液体的危险，同时低温液体的溅出易导致探测器的控制和信号传输电路损伤。

为减弱高纯锗探测器液氮制冷系统操作难度和运行成本，提高系统免维护特性的方法有：液氮自动控制灌注技术和零蒸发存储技术。液氮自动灌注技术是以系统中某位置的温度或液体液位作为反馈条件，通过电路控制液氮加注阀开启或关闭。液氮自动灌注系统结构复杂，需要大容量液氮储罐，导致液氮消耗量增加，不适用于多个探测器放置于不同测量点的情形，特别是对于液氮运输与生产困难的地区。零蒸发存储利用制冷机将蒸发的制冷剂再液化，实现制冷剂零损耗储存。但制冷机机械振动产生的麦克风噪声降低探测器分辨率。

专利申请公布号CN103742783A，是一种自动停止功能便携式高纯锗探测器液氮加灌装置。它包括温度测量单元、自动控制单元和液氮加灌单元，温度测量单元测量杜瓦气管出口处温度，温度作为反馈条件通过自动控制单元控制液氮加灌单元的空气压缩机和电磁阀的开闭，从而达到了液氮加灌过程中无人值守的功能。上述结构仅解决了高纯锗探测器液氮制冷系统的操作难度大的问题，并未从根本上解决液氮消耗成本与液氮运输成本的问题，除此之外上述系统结构复杂，占地面积大，不适用于小空间和偏远山区使用。

专利文献公布号CN105122487A公开了一种能够减少源于制冷机振动的低温恒温器，通过缓冲罐与制冷机液化室和制冷剂槽气相空间至少一方连通，增加制冷剂槽和液化室的气相容积，从而消除制冷机液化循环引起的声学振动。上述专利仅仅减弱了由于制冷机液化循环引起的振动，并未减弱制冷机本身机械振动对仪器的干扰。上述减振方法适用于大容量低温恒温器减振，对于小容量低温恒温器制冷机液化循环导致的振动非常小，基本可以忽略不计。

因此，需要对现有的低温恒温器进行改进，以提高减振效果。

发明内容

本发明的一个主要目的在于克服上述现有技术的至少一种缺陷，提供一种低温恒温器，其具有较好的减振效果。

为达成上述目的，本发明提供一种低温恒温器，包括室温容器、低温容器及制冷机构。

室温容器包括室温罐体、外颈管及封头，外颈管与室温罐体连通，室温罐体开设第一开孔，封头盖设于室温罐体，封头上开设第二开孔和第三开孔，第一开孔与第三开孔对应，外颈管与第二开孔对应且穿过第二开口外露于封头，外颈管的外周与封头的第二开口之间密封接触。

低温容器包括低温罐体、内颈管及液化室，内颈管与液化室独立，且均与低温罐体连通，低温容器容纳于室温罐体内，部分内颈管位于外颈管内，探测器能够伸入内颈管内；部分液化室位于室温罐体内，液化室与第一开孔对应，且穿过第一开孔。

制冷机构，包括设备盘和制冷设备，设备盘设置于封头上，并开设分别与第二开孔和第三开孔对应的通孔，制冷设备安装于设备盘，制冷设备包括机体和冷指，机体设置于设备盘上，冷指与机体连接，并伸入液化室内。

本发明相较于现有技术的有益效果在于：

1、封头上开设独立的两个开孔，供外颈管和制冷设备的冷指插设，保证探测器与制冷机构互不干涉，减少制冷机构机械振动对探测器的干扰，从而能够形成一套集成性好的低振动零蒸发低温恒温器系统；

2、在一实施例中，可将室温容器上的封头设计为平板形封头，从而更加方便放置制冷机系统及相关设备。

附图说明

通过结合附图考虑以下对本发明的优选实施例的详细说明，本发明的各种目标、特征和优点将变得更加显而易见。附图仅为本发明的示范性图解，并非一定是按比例绘制。在附图中，同样的附图标记始终表示相同或类似的部件。其中：

图1是本发明的低温恒温器的主视图。

图2是本发明的低温恒温器的俯视图。

图3是本发明的低温恒温器的制冷机构的隔振设计示意图。

图4是本发明的制冷机构的第一隔振器的示意图。

图5是本发明的第二隔振器的示意图。

图6是本发明的第三隔振器的示意图。

具体实施方式

现在将参考附图更全面地描述示例实施方式。然而，示例实施方式能够以多种形式实施，且不应被理解为限于在此阐述的实施方式；相反，提供这些实施方式使得本发明更全面和完整，并将示例实施方式的构思全面地传达给本领域的技术人员。图中相同的附图标记表示相同或类似的结构，因而将省略它们的详细描述。

实施例中可能使用相对性的用语，例如“较低”或“底部”及“较高”或“顶部”，以描述图标的一个组件对于另一组件的相对关系。能理解的是，如果将图标的装置翻转使其上下颠倒，则所叙述在“较低”侧的组件将会成为在“较高”侧的组件。此外，当某层在其它层或基板“上”时，有可能是指“直接”在其它层或基板上，或指某层在其它层或基板上，或指其它层或基板之间夹设其它层。

本发明提供一种低温恒温器，包括室温容器、低温容器及制冷机构。

室温容器包括室温罐体11、外颈管12及封头13，外颈管12与室温罐体11连通，室温罐体11开设第一开孔H1，封头13盖设于室温罐体11，封头13上开设第二开孔H2和第三开孔H3，第一开孔H1与第三开孔H3对应，外颈管12与第二开孔H2对应且穿过第二开口外露于封头13，外颈管12的外周与封头13的第二开口之间密封接触。

低温容器包括低温罐体21、内颈管22及液化室23，内颈管22与液化室23独立，且均与低温罐体21连通，低温容器容纳于室温罐体11内，部分内颈管22位于外颈管12内，探测器100能够伸入内颈管22内；部分液化室23位于室温罐体11内，液化室23与第一开孔H1对应，且穿过第一开孔H1。

制冷机构包括设备盘31和制冷设备32，设备盘31设置于封头13上，并开设分别与第二开孔H2和第三开孔H3对应的通孔，制冷设备32安装于设备盘31，制冷设备32包括机体321和冷指322，机体321设置于设备盘31上，冷指322与机体321连接，并伸入液化室23内。

本实施例中，如图1、2所示，封头13为平板，其与室温罐体11固定连接，其上可焊接螺柱以固定设备盘31，平板式的封头13可使得有制冷机系统及相关设备的安装更加稳定。

其中，探测器100可为高纯锗探测器，将其与本发明的低温恒温器组装后组成低温恒温器系统，其具有以下有效效果：

1、封头上开设独立的两个开孔，供外颈管和制冷设备的冷指插设，保证探测器与制冷机构互不干涉，减少制冷机构机械振动对探测器的干扰，从而能够形成一套集成性好的低振动零蒸发低温恒温器系统；

2、将室温容器上的封头设计为平板形封头，从而更加方便放置制冷机系统及相关设备。

以下对低温恒温器的具体结构进行详细说明，本实施例中低温恒温器与高纯锗探测器配合，应当理解，探测器100的类型不限于此，可以为其它任何拥有独立真空和导冷结构的探测器100系统。

本实施例中，制冷设备32可选用脉冲管制冷机或斯特林制冷机，优选低振动长命寿脉冲管制冷机。并且，本实施例选用整体式脉冲管制冷机，可结构紧凑节省安装空间。

本实施例中，制冷机构还可包括控制系统33、直流电源34及散热风扇35，其均安装于设备盘31上，因此集成性较好，占地面积小。直流电源34为制冷设备32、散热风扇35等电力设备供电。散热风扇35用于制冷机和直流电源34的散热。

为提高系统免维护特性，系统实行压力反馈调节，即，控制系统33根据低温容器内压力与目标压力的误差进行PID运算，控制制冷机输出冷量，对恒温器内部压力进行闭环控制，保持低温容器内微正压。恒温器内制冷剂密封保存，如液态挥发成气态，系统压力就会上升，如果系统压力恒定不变代表系统内制冷剂没有挥发。并可对系统所处环境温度的变化、制冷机热端温度的变化、制冷机性能的波动做出相应的响应，可自动实现制冷剂长期无损存储。停电后，制冷机构停止运行时，低温容器内剩余液氮可维持探测器100继续处于工作温度，探测器100可继续工作。

因此，相对于普通杜瓦存储的液氮，本实施例的低温恒温器内液氮维持时间较长，可长达2年左右。

本实施例中，设备盘31与封头13可拆卸的连接，可移动的设备盘31有利于制冷设备32及控制单元的布置。

其中，低温容器的工作压力约为2.0bar，低温容器的材质可选用不锈钢或者高强度铝。低温罐体21内用于容纳液态制冷剂，其外壁包覆有一定厚度的绝热材料层。制冷剂包括但不限定于液氮，比如液氧、液氩。

室温罐体11的材质可选用不锈钢或者高强度铝。室温罐体11还开设第四开孔(未示出)，封头13开设与第四开孔对应的第五开孔(未示出)，第四开孔和第五开孔可作为杜瓦真空抽口，通过第四开孔和第五开孔能够将室温容器与低温容器之间抽真空，在内颈管22与外颈管12之间采用真空多层绝热技术，内颈管22和外颈管12，即探测器100的插入口，采用不锈钢薄壁管，减弱了颈管处对流漏热和导热漏热损失。

液化室23两端分别连接低温罐体21与室温罐体11，再将低温罐体21内挥发的制冷剂液化，保证低温容器内制冷剂零损耗。液化室23可选用不锈钢薄壁波纹管，不锈钢波纹管外壁可采用高真空多层绝热技术，减少液化室23的导热漏热损失。

如图3所示，制冷机构还包括第一隔振器36，其设置于设备盘31上，第一隔振器36用于安装所述制冷设备32。制冷设备32还包括机体支撑架323，用于承载机体321(压缩机)，机体支撑架323的四角固定于第一隔振器36上。

其中，如图4所示，第一隔振器36包括上隔板361、下隔板362及夹设于上隔板361与下隔板362之间的隔振部363，下隔板362固定于设备盘31上，机体支撑架323的四角固定于上隔板361上。上隔板361和下隔板362可为金属板，例如不锈钢或者铝合金，隔振部363可为小刚度球形橡胶。选用橡胶球可同时减弱三个方向(x,y,z)的振动，隔振器可开模加工。

本实施例中，如图1、5所示，制冷机构还可包括第二隔振器37，其设置于冷指322与室温罐体11之间。第二隔振器37可以是任何刚度较小的有机材料形成的结构件，例如橡胶。

其中，冷指322包括热端法兰3221和指体3222，热端法兰3221突出的连接于指体3222的一端。第二隔振器37包括第二连接部371和贯穿第二连接部371上下表面的第二穿孔372，第二连接部371连接于热端法兰3221与室温罐体11的上表面之间，第二连接部371可与室温罐体11的上表面螺钉固定，热端法兰3221置于第二连接部371上方，热端法兰3221的侧壁与第二连接部371的凸起部分密封接触。指体3222穿过第二穿孔372插入液化室23内，其中，第二穿孔372的内壁可具有凸部，指体3222的上端(即，室温端)可与凸部密封接触，从而实现减振密封的功能。

在密封的低温容器内，挥发的氮气遇冷指322液化后回流到低温罐体21内。由于低温恒温器密封良好，使得其内部的制冷剂零损耗，可长久无需添加液氮，极大的节省了人力物力。

因此，通过第一隔振器36实现制冷机构的设备盘31与机体321之间的隔振，通过第二隔振器37实现制冷机构与室温罐体11之间的隔振。本实施例在保证密封的前提下，避免了低温恒温器中金属件之间的直接接触，从而有效避免了低温恒温器的主要振动源头——制冷机构工作过程中产生振动，具有减振和密封功能。

本实施例中，如图1、6所示，低温恒温器还可包括第三隔振器40，其设置于探测器100冷指322与外颈管12之间。

其中，第三隔振器40可包括第三连接部41和贯穿第三连接部41上下表面的第三穿孔42。外颈管12的端部设有管口法兰121，内颈管22的端部连接管口法兰121。第三连接部41的下表面与管口法兰121密封连接。探测器100包括探测冷指110，探测冷指110穿过第三穿孔42插入内颈管22内，并伸入制冷剂中，探测冷指110与第三穿孔42密封接触。

其中，第三穿孔42的孔壁具有凹凸结构，凹凸结构的凸起部分抱住探测冷指110的侧壁。探测器100还可包括卡环，其设置于探测冷指110的上部的外周，卡环固定于第三连接部41的上表面。

其中，第三连接部41的外周开设第一管孔43和第二管孔44，分别用于穿设灌液管T1和出气管T2，灌液管T1和出气管T2的一端位于第三连接部41之外，灌液管T1和出气管T2的另一端伸入内颈管22。第三连接部41的外周设有凸缘45，凸缘45包括水平的密封面和竖直的密封面，使得凸缘45密封的包覆管口法兰121。

因此，通过在探测器100与外颈管12之间设置第三隔振器40，因此探测器100处的机械振动极小，对探测器100分辨基本无影响，从而保证探测器100的探测精度。并且能够实现探测器100与内颈管22、外颈管12之间的有效密封。

如图1所示，低温恒温器还可包括液位测量机构，其包括液位传感器51、显示仪、数据线等，液位传感器51伸入低温罐体21内。其中，管口法兰121的侧壁开设有三个螺纹孔，分别用于布置液位传感器51、压力传感器52及安全阀53。本实施例中，液位传感器51的电极引出件经由其中一螺纹孔外露于管口法兰121，并与螺纹孔密封接触。

其中，液位传感器51可为电容式液位传感器，其结构设计方便维修与更换，相较于温度型液位传感器，其液位测量更精确；低温罐体21内置有定位梁54，用于支撑并限位液位传感器51。本实施例中，定位梁54的数量为2个，其对传感器的电容部分进行左右限位，液位传感器51内电极通过电极引出件和密封件由管口法兰121侧壁引出，随后连接到系统控制电路。液位传感器51采用后装配式，有利于液位传感器51的更换与维修。液位显示可就近和远程显示，具有液位低阈值报警功能，可实时监测液氮液位或含量百分比，通过报警的方式提前告知用户灌注液氮。

因此，本实施例采用低振动长寿命机械制冷机主动制冷与高真空多层绝热杜瓦被动绝热相结合，实现低温杜瓦内制冷剂零蒸发存储，维持低温杜瓦内恒温恒压，为探测器提供一个稳定的低温环境；采用低振动脉冲管制冷机和合理的隔振设计，实现了机械振动对探测器分辨率基本无影响的目的；零蒸发低温恒温器振动小，集成性好、操作难度低、免维护性高。

综上所述，与现有技术相比，本发明以抽拉方式移动加速器，大幅减轻操作难度，提高大功率加速器的维修调试效率。并且，通过利用本发明的抽拉式承载装置，在加速器舱体结构的内部即可完成调试或维修，因此，无需在加速器舱体外预留空间体积，从而提高舱体内部空间的利用率，避免舱体外部空间的浪费。

虽然已参照几个典型实施例描述了本发明，但应当理解，所用的术语是说明和示例性、而非限制性的术语。由于本发明能够以多种形式具体实施而不脱离发明的精神或实质，所以应当理解，上述实施例不限于任何前述的细节，而应在随附权利要求所限定的精神和范围内广泛地解释，因此落入权利要求或其等效范围内的全部变化和变型都应为随附权利要求所涵盖。

Claims (21)

1.一种低温恒温器，包括：

室温容器，包括室温罐体、外颈管及封头，外颈管与室温罐体连通，室温罐体开设第一开孔，封头盖设于室温罐体，封头上开设第二开孔和第三开孔，第一开孔与第三开孔对应，外颈管与第二开孔对应且穿过第二开口外露于封头，外颈管的外周与封头的第二开口之间密封接触；

低温容器，包括低温罐体、内颈管及液化室，内颈管与液化室独立，且均与低温罐体连通，低温容器容纳于室温罐体内，部分内颈管位于外颈管内，探测器能够伸入内颈管内；部分液化室位于室温罐体内，液化室与第一开孔对应，且穿过第一开孔；及

制冷机构，包括设备盘和制冷设备，设备盘设置于封头上，并开设分别与第二开孔和第三开孔对应的通孔，制冷设备安装于设备盘，制冷设备包括机体和冷指，机体设置于设备盘上，冷指与机体连接，并伸入液化室内。

2.根据权利要求1所述的低温恒温器，其中，封头为平板，其与室温罐体固定连接。

3.根据权利要求3所述的低温恒温器，其中，设备盘与封头可拆卸的连接。

4.根据权利要求2所述的低温恒温器，其中，室温罐体还开设第四开孔，封头开设与第四开孔对应的第五开孔，通过第四开孔和第五开孔能够将室温容器与低温容器之间抽真空。

5.根据权利要求2所述的低温恒温器，其中，低温罐体外壁包覆有绝热材料层。

6.根据权利要求2所述的低温恒温器，其中，制冷机构还包括第一隔振器，其设置于设备盘上，第一隔振器用于安装所述制冷设备。

7.根据权利要求6所述的低温恒温器，其中，制冷设备还包括机体支撑架，用于承载机体，机体支撑架的四角固定于第一隔振器上。

8.根据权利要求7所述的低温恒温器，其中，第一隔振器包括上隔板、下隔板及夹设于上隔板与下隔板之间的隔振部，下隔板固定于设备盘上，机体支撑架的四角固定于上隔板上。

9.根据权利要求8所述的低温恒温器，其中，上隔板和下隔板为金属板，隔振部为球形橡胶。

10.根据权利要求2所述的低温恒温器，其中，制冷机构还包括第二隔振器，其设置于冷指与室温罐体之间。

11.根据权利要求10所述的低温恒温器，其中，冷指包括热端法兰和指体，热端法兰突出的连接于指体的一端；第二隔振器包括第二连接部和贯穿连接部上下表面的第二穿孔，第二连接部连接于热端法兰与室温罐体的上表面之间，热端法兰置于第二连接部上方，热端法兰的侧壁与第二连接部的凸起部分密封接触；指体穿过第二穿孔插入液化室内。

12.根据权利要求2所述的低温恒温器，其中，低温恒温器还包括第三隔振器，其设置于探测器冷指与外颈管之间。

13.根据权利要求12所述的低温恒温器，其中，第三隔振器包括第三连接部和贯穿第三连接部上下表面的第三穿孔；外颈管的端部设有管口法兰，第三连接部的下表面与管口法兰密封连接；探测器包括探测冷指，探测冷指穿过第三穿孔插入内颈管内，探测冷指与第三穿孔密封接触。

14.根据权利要求13所述的低温恒温器，其中，第三穿孔的孔壁具有凹凸结构，凹凸结构的凸起部分夹紧的与探测冷指接触。

15.根据权利要求13所述的低温恒温器，其中，探测器还包括卡环，其设置于探测冷指的上部的外周，卡环固定于第三连接部的上表面。

16.根据权利要求13所述的低温恒温器，其中，第三连接部的外周开设第一管孔和第二管孔，分别用于穿设灌液管和出气管，灌液管和出气管的一端位于第三连接部之外，灌液管和出气管的另一端伸入内颈管。

17.根据权利要求13所述的低温恒温器，其中，第三连接部的外周设有凸缘，凸缘密封的包覆管口法兰。

18.根据权利要求2所述的低温恒温器，其中，液化室的壁部为不锈钢波纹管，且液化室的壁部的外表面包覆有绝热材料层。

19.根据权利要求13所述的低温恒温器，其中，低温恒温器还包括液位测量机构，其包括伸入低温罐体的液位传感器。

20.根据权利要求19所述的低温恒温器，其中，管口法兰的侧壁开有螺纹孔，液位传感器的电极引出件经由螺纹孔外露于管口法兰，并与螺纹孔密封接触。

21.根据权利要求19所述的低温恒温器，其中，液位传感器为电容式液位传感器，低温罐体内置有定位梁，用于支撑并限位液位传感器。