CN109654786A - 一种采用闭循环制冷机的低振动降温装置 - Google Patents

一种采用闭循环制冷机的低振动降温装置 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种采用闭循环制冷机的低振动降温装置，该装置包括：制冷机制冷系统、波纹管隔振系统和真空系统；制冷机制冷系统包括金属套筒、制冷机冷头、制冷机压缩机和氦气热交换系统，制冷机冷头下端设置导流装置，制冷机冷头和金属套筒之间设置防对流填充物，波纹管隔振系统采用多级波纹管隔振，真空系统为系统建立超高真空环境。本发明的有益效果为：通过使用闭循环制冷机对氦气液化，实现更低的温度；制冷机冷头最低端的导流装置，避免液氦滴下产生的振动；制冷机冷头与金属套筒间的防对流填充物，防止由于氦气对流而产生的振动；采用多级波纹管的设计，最大程度隔绝制冷机在工作中产生的振动，从而为对振动非常敏感并要求低温的设备降温。

Description

一种采用闭循环制冷机的低振动降温装置
技术领域
本发明涉及低温制冷设备技术领域，具体而言，涉及一种采用闭循环制冷机的低振动降温装置。
背景技术
低温降温装置主要分为两种：第一种采用制冷剂制冷，即将液氦存储到容器里面，或者将液氦通过管道持续输送到需降温部位；第二种采用闭循环制冷机制冷，制冷机主要包括吉福特-麦克马洪循环制冷机、脉管制冷机、斯特林循环制冷机以及基于上述制冷机原理的改良机型。这些原制冷机机型在运行中存在振动问题，限制了它们的使用。为了将这些机型应用在对振动要求极其严格的工作环境中，部分单位和公司做了研究，诸如复旦大学的“一种机械振动隔绝的无液氦消耗极低温制冷系统”(公告号：CN 105571190 A)、“一种利用闭循环制冷机致冷的低温扫描隧道显微镜”(公告号：CN 103901232 B)，绍兴匡泰仪器设备有限公司的“一种无液氦低温扫描隧道显微镜”(公告号：CN 104714053B)，美国RHK公司的PanScan Freedom商业化无液氦消耗的SPM系统和德国SIGMA公司的INFINITY闭循环SPM系统等。
采用制冷剂制冷的低温降温装置需要直接消耗液氦，而氦资源属于不可再生资源、稀缺资源，在中国尤为稀缺；近年来随着液氦的消耗，液氦价格越来越昂贵。采用制冷机制冷的低振动设备只是单纯地使用氦气作为热交换气体，这样只能使温度降到10K左右，并且作为热交换气体的氦气在设备内存在对流情况，会产生振动，影响减振效果。
发明内容
为解决上述问题，本发明的目的在于利用闭循环制冷机搭建一套无液氦消耗、低振动的降温装置，在不消耗液氦的情况下将温度降至4.2K，并且特殊的设计隔绝了制冷机工作中产生的振动，适合应用到对振动非常敏感并要求低温的设备上。
本发明提供了一种采用闭循环制冷机的低振动降温装置，包括制冷机制冷系统，其包括：金属套筒、下端置于所述金属套筒内部的制冷机冷头、位于所述金属套筒底部外侧的温度监测装置、与所述制冷机冷头的上端连接的制冷机压缩机和氦气热交换系统，所述制冷机冷头下端设置导流装置，所述制冷机冷头和所述金属套筒之间设置防对流填充物，所述金属套筒底部空间存储液氦(即液化的氦气)，且所述导流装置伸入液氦内；
波纹管隔振系统，其为多级波纹管，包括：依次首尾级联的多级波纹管和分别固定每一级波纹管的波纹管隔振架，所述波纹管隔振架的上端与每一级波纹管的上端连接，所述多级波纹管的最下端一级波纹管的下端与所述金属套筒上端连接，所述多级波纹管的最上端一级波纹管的上端与所述制冷机冷头上端的密封挡板连接；
真空系统，其包括：真空腔体外壳和真空泵组，所述真空腔体外壳套在所述金属套筒外侧，所述真空泵组使得所述真空腔体外壳与所述金属套筒之间形成的密封空间为真空腔体。
作为本发明进一步的改进，所述波纹管隔振系统为二级波纹管，包括：从下至上级联的第一级波纹管和第二级波纹管、固定所述第一级波纹管的第一级波纹管隔振架以及固定所述第二级波纹管的第二级波纹管隔振架，所述第一级波纹管的下端与所述金属套筒上端连接，所述第一级波纹管的上端与所述第二级波纹管的下端连接，所述第二级波纹管的上端与所述制冷机冷头上端的密封挡板连接。
作为本发明进一步的改进，所述氦气热交换系统包括氦气供给回收装置和导气管，所述导气管一端与所述氦气供给回收装置连接，另一端穿过所述密封挡板伸入到所述双级波纹管内部，所述导气管上设置减压阀。
作为本发明进一步的改进，所述制冷机冷头和所述金属套筒之间设置多层防对流填充物。
作为本发明进一步的改进，所述多级波纹管为橡胶波纹管或金属波纹管。
作为本发明进一步的改进，所述密封挡板上设置卸放阀。
作为本发明进一步的改进，所述金属套筒底部连接节流制冷装置。
作为本发明进一步的改进，所述制冷机冷头由从上至下级联的制冷机第一级冷头和制冷机第二级冷头组成。
作为本发明进一步的改进，所述金属套筒由上至下级联的第一级金属套筒和第二级金属套筒组成，所述第一级金属套筒与所述制冷机第一级冷头形状匹配设置，所述第二级金属套筒与所述制冷机第二级冷头形状匹配设置。
本发明的有益效果为：通过使用闭循环制冷机对氦气液化，实现更低的温度；在闭循环制冷机冷头最低端添加导流装置，避免液氦滴下产生的振动；在制冷机冷头与金属套筒间添加防对流填充物，防止由于氦气对流现象而产生的振动；采用多级波纹管设计，最大程度隔绝制冷机在工作中产生的振动，从而为对振动非常敏感并要求低温的设备降温。
附图说明
图1为本发明实施例所述的一种采用闭循环制冷机的低振动降温装置的结构示意图；
图2为本发明实施例所述的一种低温扫描隧道显微镜系统的结构示意图。
图中，
11、制冷机冷头；12、氦气供给回收装置；13、制冷机压缩机；14、金属套筒；15、温度监测装置；16、防对流填充物；17、导流装置；18、减压阀；19、卸放阀；110、制冷机冷头气库；111、制冷机第一级冷头；112、制冷机第二级冷头；131、分离电机；132、分离电机支撑架；141、第一级金属套筒；142、第二级金属套筒；21、双级波纹管；22、第一级波纹管隔振架；23、第二级波纹管隔振架；31、真空腔体外壳；32、真空泵组；41、扫描探头；42、外层低温屏蔽罩；43、内层低温屏蔽罩；44、弹簧隔振；45、磁阻尼隔振；51、隔振装置；52、支撑平台。
具体实施方式
下面通过具体的实施例并结合附图对本发明做进一步的详细描述。
实施例1，如图1所示，本发明实施例所述的一种采用闭循环制冷机的低振动降温装置，该装置包括：制冷机制冷系统、波纹管隔振系统和真空系统，其中，
制冷机制冷系统，其包括：金属套筒14、下端置于金属套筒内部的制冷机冷头11、位于金属套筒14底部外侧的温度监测装置15、与制冷机冷头11的上端连接的制冷机压缩机13和氦气热交换系统，制冷机冷头11下端设置导流装置17，制冷机冷头11和金属套筒14之间设置防对流填充物16，金属套筒14底部空间存储液氦(即液化的氦气)，且导流装置伸入液氦内；
波纹管隔振系统，其为多级波纹管，包括依次首尾级联的多级波纹管和分别固定每一级波纹管的波纹管隔振架，波纹管隔振架的上端与每一级波纹管的上端连接，多级波纹管的最下端一级波纹管的下端与所述金属套筒14上端连接，多级波纹管的最上端一级波纹管的上端与制冷机冷头11上端的密封挡板连接，多级波纹管的级数一般大于等于2；
真空系统，其包括：真空腔体外壳31和真空泵组32，真空腔体外壳31套在金属套筒14外侧，真空泵组32使得真空腔体外壳31与金属套筒14之间形成的密封空间为真空腔体。
进一步的，其为双级波纹管21，包括：从下至上级联的第一级波纹管和第二级波纹管、固定所述第一级波纹管的第一级波纹管隔振架22以及固定所述第二级波纹管的第二级波纹管隔振架23，第一级波纹管的下端与金属套筒14上端连接，第一级波纹管的上端与第二级波纹管的下端连接，第二级波纹管的上端与制冷机冷头11上端的密封挡板连接。
制冷机可为吉福特-麦克马洪循环制冷机、脉管制冷机、斯特林循环制冷机以及基于这些制冷机原理的改良机型。制冷机冷头11、双级波纹管21和金属套筒14构成热交换区间，该区间由氦气热交换系统供给氦气作为热交换气体，并能够通过减压阀18与卸放阀19控制该区间压力。金属套筒14材质兼容超高真空，最底部可接实验设备。波纹管隔振系统的波纹管采用双级波纹管21设计，波纹管除密封热交换气体氦气外，还隔绝了制冷机在工作中产生的振动；两级波纹管分别由独立刚性波纹管隔振架固定在地面上，这样的设计最大程度隔绝了制冷机在工作中产生的振动。作为热交换气体的氦气在工作中会有对流现象，对流会产生振动，影响减振效果，为了隔绝这部分振动，在制冷机冷头11与金属套筒14间添加了防对流填充物16；作为热交换气体的氦气一部分会在制冷机冷头11最底部(最冷端)液化，液氦(液化的氦气)集中到金属套筒14底部，由这些集中的液氦直接对被降温物降温；为了避免液氦滴下产生振动，在制冷机冷头11最低端添加了导流装置17；温度监测装置15安装于金属套筒14底部(真空端)，用于监测该部位实时温度。
进一步的，氦气热交换系统包括氦气供给回收装置12和导气管，导气管一端与氦气供给回收装置12连接，另一端穿过密封挡板伸入到双级波纹管21内部，导气管上设置减压阀18，密封挡板上设置卸放阀19。制冷机冷头11、双级波纹管21和金属套筒14构成热交换区间，该区间由氦气热交换系统供给氦气作为热交换气体，并能够通过减压阀18与卸放阀19控制该区间压力。
进一步的，制冷机冷头11和金属套筒14之间设置多层防对流填充物16。作为热交换气体的氦气在工作中会有对流现象，对流会产生振动，影响减振效果，为了消除这部分振动，在制冷机冷头11与金属套筒14间添加了防对流填充物16，为了进一步减小振动，可以设置多层防对流填充物16。
进一步的，多级波纹管21为橡胶波纹管或金属波纹管。
进一步的，金属套筒14底部连接节流制冷装置，可达到更低的温度。
进一步的，制冷机冷头11由从上至下级联的制冷机第一级冷头111和制冷机第二级冷头112组成。
进一步的，金属套筒14由上至下级联的第一级金属套筒141和第二级金属套筒142组成，第一级金属套筒141与制冷机第一级冷头111形状匹配设置，第二级金属套筒与所述制冷机第二级冷头112形状匹配设置。
进一步的，制冷机冷头11连接有制冷机冷头气库110。
实施例2，如图2所示，将本发明所述的一种采用闭循环制冷机的低振动降温装置应用到超高真空低温扫描隧道显微镜系统中，制冷机选用分离式脉管制冷机。
该低温扫描隧道显微镜系统主要由分离式脉管制冷机制冷系统、波纹管隔振系统、真空系统、扫描系统和系统隔振平台构成。
制冷系统由制冷机冷头11、氦气热交换系统、制冷机压缩机13、金属套筒14、防对流填充物16、导流装置17、分离电机131、分离电机支撑架132构成，制冷机冷头11处设置制冷机冷头气库110。
制冷机冷头11与底部真空系统间的振动隔离采用双级波纹管21隔振，每级波纹管通过独立刚性波纹管支撑架与地面连接，波纹管材质采用橡胶波纹管，也可采用金属波纹管。双级波纹管21、金属套筒14和制冷机冷头11三者构成热交换区间；该区间以氦气作为热交换气体，高压氦气通过减压阀18减压后充入该区间，氦气在制冷机第二级冷头112处(制冷机最冷端)液化，液化的氦气(液氦)集中在金属套筒14底部(即第二级金属套筒142底部)；该区间装有卸放阀19，用于调节该区间气压；分离电机131通过独立刚性支撑架固定在地面上，分离电机131与制冷机冷头11间的管道通过特殊设计，最大限度减小电机与制冷机冷头11间的振动。实验表明当该区间在气压在一个大气压左右时，波纹管减振效果最好。
金属套筒14、真空腔体外壳31和真空泵组32构成系统的真空部分。金属套筒14加工材质兼容超高真空，且金属套筒14分为两级，第一级金属套筒141与制冷机第一级冷头111接近，使得制冷机第一级冷头111温度通过热交换气体传导至第一级金属套筒141，第二级金属套筒142与制冷机第二级冷头112接近，作为热交换气体的氦气一部分会在制冷机第二级冷头112处液化，并集中到第二级金属套筒142底部，液氦直接对第二级金属套筒142降温；作为热交换气体的氦气在工作中会有对流现象，对流会产生振动，影响减振效果，为了消除这部分振动，我们在制冷机冷头11与金属套筒14间添加了防对流填充物16；为了避免液滴滴落产生的振动，我们在制冷机冷头11最低端添加了导流装置17。真空泵组32包含离子泵、分子泵、机械泵等真空泵，用以建立超高真空环境。
真空系统内部含扫描系统，扫描系统由扫描探头41、低温屏蔽罩、真空腔室内隔振系统构成。低温屏蔽罩由导热良好的金属材质构成(比如铝、无氧铜)，其分为外层低温屏蔽罩42和内层低温屏蔽罩43，外层低温屏蔽罩42与第一级金属套筒141固定在一起，使得第一级金属套筒141的温度传导至外层低温屏蔽罩42，内层低温屏蔽罩43与第二级金属套筒142固定在一起，使得第二级金属套筒142的温度传导至内层低温屏蔽罩43；真空腔室内隔离系统包含弹簧隔振44和磁阻尼隔振45，弹簧隔振44和磁阻尼隔振45装置主要是隔绝系统至扫描探头41间的振动；扫描探头41通过弹簧隔振44悬挂在第二级金属套筒142底部。
系统隔振平台有隔振装置51和支撑平台52构成，其作用是用于支撑显微镜系统，并隔绝周围环境至系统的振动。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种采用闭循环制冷机的低振动降温装置，其特征在于，包括制冷机制冷系统，其包括：金属套筒(14)、下端置于所述金属套筒(14)内部的制冷机冷头(11)、位于所述金属套筒(14)底部外侧的温度监测装置(15)、与所述制冷机冷头(11)的上端连接的制冷机压缩机(13)和氦气热交换系统，所述制冷机冷头(11)下端设置导流装置(17)，所述制冷机冷头(11)和所述金属套筒(14)之间设置防对流填充物(16)，所述金属套筒(14)底部空间存储液氦，且所述导流装置(17)伸入液氦内；
波纹管隔振系统，其为多级波纹管，包括依次首尾级联的多级波纹管和分别固定每一级波纹管的波纹管隔振架，所述波纹管隔振架的上端与每一级波纹管的上端连接，所述多级波纹管的最下端一级波纹管的下端与所述金属套筒(14)上端连接，所述多级波纹管的最上端一级波纹管的上端与所述制冷机冷头(11)上端的密封挡板连接；
真空系统，其包括：真空腔体外壳(31)和真空泵组(32)，所述真空腔体外壳(31)套在所述金属套筒(14)外侧，所述真空泵组(32)使得所述真空腔体外壳(31)与所述金属套筒(14)之间形成的密封空间为真空腔体。
2.根据权利要求1所述的一种采用闭循环制冷机的低振动降温装置，其特征在于，所述波纹管隔振系统为二级波纹管(21)，包括：从下至上级联的第一级波纹管和第二级波纹管、固定所述第一级波纹管的第一级波纹管隔振架(22)以及固定所述第二级波纹管的第二级波纹管隔振架(23)，所述第一级波纹管的下端与所述金属套筒(14)上端连接，所述第一级波纹管的上端与所述第二级波纹管的下端连接，所述第二级波纹管的上端与所述制冷机冷头(11)上端的密封挡板连接。
3.根据权利要求1所述的一种采用闭循环制冷机的低振动降温装置，其特征在于，所述氦气热交换系统包括氦气供给回收装置(12)和导气管，所述导气管一端与所述氦气供给回收装置(12)连接，另一端穿过所述密封挡板伸入到所述双级波纹管(21)内部，所述导气管上设置减压阀(18)。
4.根据权利要求1所述的一种采用闭循环制冷机的低振动降温装置，其特征在于，所述制冷机冷头(11)和所述金属套筒(14)之间设置多层防对流填充物(16)。
5.根据权利要求1所述的一种采用闭循环制冷机的低振动降温装置，其特征在于，所述多级波纹管(21)为橡胶波纹管或金属波纹管。
6.根据权利要求1所述的一种采用闭循环制冷机的低振动降温装置，其特征在于，所述密封挡板上设置卸放阀(19)。
7.根据权利要求1所述的一种采用闭循环制冷机的低振动降温装置，其特征在于，所述金属套筒(14)底部连接节流制冷装置。
8.根据权利要求1所述的一种采用闭循环制冷机的低振动降温装置，其特征在于，所述制冷机冷头(11)由从上至下级联的制冷机第一级冷头(111)和制冷机第二级冷头(112)组成。
9.根据权利要求8所述的一种采用闭循环制冷机的低振动降温装置，其特征在于，所述金属套筒(14)由上至下级联的第一级金属套筒(141)和第二级金属套筒(142)组成，所述第一级金属套筒(141)与所述制冷机第一级冷头(111)形状匹配设置，所述第二级金属套筒(142)与所述制冷机第二级冷头(112)形状匹配设置。
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