CN109764636B - 一种带有真空夹层的插拔式杜瓦结构 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种带有真空夹层的插拔式杜瓦结构，包括法兰组件一、法兰组件二和杜瓦结构组件。法兰组件一包括过渡法兰一和CF法兰一；过渡法兰一上贯穿安装有夹层抽气管。杜瓦结构组件包括杜瓦壳体、杜瓦盖板、杜瓦底板、杜瓦冷指和支撑冷板。杜瓦冷指与低温制冷机冷指之间设有环隙夹层。法兰组件二包括过渡法兰二和CF法兰二；CF法兰一与CF法兰二通过螺钉相连。本发明不仅能够解决现有技术中集成式杜瓦与制冷机无法拆卸的问题，实现制冷机拆卸维修和更换的功能，大大降低质量成本，还能避免因被冷器件受振动冲击等机械力影响而损坏制冷机的应用弊端。
Description
技术领域
本发明涉及低温冷却技术领域，具体涉及一种带有真空夹层的插拔式杜瓦结构。
背景技术
真空杜瓦由于其高真空、低辐射、无污染及寿命高等优异性能，被广泛应用于低温冷却设备及其他低温工程等领域。由于低温冷却设备需要采用大冷量低温制冷机将其被冷器件制冷至80K以下，被冷器件才能进行良好的工作，因此，必须将被冷器件放置于真空杜瓦内进行良好的绝热才能获得如此低温。
目前，应用于低温冷却设备中的集成式杜瓦与制冷机为一体焊接结构，制冷机与杜瓦不可拆卸。虽然该方式能够使制冷机冷指直接置于杜瓦内，被冷器件直接与制冷机冷头进行耦合连接，连接方式简单，易于耦合，冷损较小；但该方式具有以下不足：一方面是制冷机与杜瓦不可拆卸，一旦制冷机损坏，无法进行维修和更换，致使整个设备报废；另一方面是被冷器件重量较重，受振动冲击等机械力的影响，容易导致制冷机薄壁冷指变形，从而致使制冷机损坏，因此被冷器件不宜过重，具有较大的应用局限性。
发明内容
本发明的目的在于提供一种带有真空夹层的插拔式杜瓦结构，该插拔式杜瓦结构不仅能够解决现有技术中集成式杜瓦与制冷机无法拆卸的问题，实现制冷机拆卸维修和更换的功能，大大降低质量成本，还能避免因被冷器件受振动冲击等机械力影响而损坏制冷机的应用弊端。
为实现上述目的，本发明采用了以下技术方案：
一种带有真空夹层的插拔式杜瓦结构，包括安装在低温制冷机冷指上的法兰组件一、与法兰组件一可拆卸相连的法兰组件二以及与法兰组件二相连的杜瓦结构组件。
具体地说，所述法兰组件一包括套设在低温制冷机冷指外侧且与低温制冷机冷指焊接相连的过渡法兰一和套设在过渡法兰一右端外侧且与过渡法兰一焊接相连的CF法兰一；所述过渡法兰一上贯穿安装有夹层抽气管。
所述杜瓦结构组件包括左右两端开口的杜瓦壳体、焊接在杜瓦壳体右端开口处的杜瓦盖板、安装在杜瓦壳体左端开口处的杜瓦底板、贯穿安装在杜瓦底板上的杜瓦冷指以及与杜瓦冷指右端部相连且位于杜瓦壳体内部的支撑冷板；所述杜瓦冷指与低温制冷机冷指之间设有环隙夹层。
所述法兰组件二包括套设在杜瓦冷指中左端外侧且与杜瓦底板固定相连的过渡法兰二和套设在过渡法兰二的左端外侧且与过渡法兰二焊接相连的CF法兰二；所述CF法兰一与CF法兰二通过螺钉相连。
进一步的，所述支撑冷板与低温制冷机冷头相耦合，且二者之间采用导热硅脂或0.1~0.3mm铟片进行耦合；所述支撑冷板的耦合面与低温制冷机冷头端面相平行，且平行度≤0.05mm。
进一步的，所述杜瓦底板与杜瓦壳体之间设有O形密封圈。
进一步的，所述杜瓦底板上贯穿安装有杜瓦排气管。
进一步的，所述杜瓦冷指为不锈钢材质的薄壁件，其厚度为0.15mm。
进一步的，所述CF法兰一和CF法兰二均采用CF50刀口密封法兰；所述CF法兰一通过M8螺钉和CF法兰二相连。
由以上技术方案可知，本发明不仅能够解决现有技术中集成式杜瓦与制冷机无法拆卸的问题，实现制冷机拆卸维修和更换的功能，大大降低质量成本，还能避免因被冷器件受振动冲击等机械力影响而损坏制冷机的应用弊端，提升可靠性。
附图说明
图1是本发明的装配结构示意图；
图2是低温制冷机和法兰组件一的装配结构示意图；
图3是杜瓦结构组件和法兰组件二的装配结构示意图；
图4是现有技术中的集成式杜瓦与本发明中的插拔式杜瓦的降温曲线图。
其中：
101、低温制冷机，102、低温制冷机冷头，201、过渡法兰一，202、CF法兰一，203、夹层抽气管，301、CF法兰二，302、过渡法兰二，401、杜瓦壳体，402、杜瓦盖板，403、杜瓦底板，404、杜瓦冷指，405、支撑冷板，406、杜瓦排气管，500、环隙夹层。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步说明：
如图1-图3所示的一种带有真空夹层的插拔式杜瓦结构，包括安装在低温制冷机101冷指上的法兰组件一、与法兰组件一可拆卸相连的法兰组件二以及与法兰组件二相连的杜瓦结构组件。
具体地说，所述法兰组件一包括套设在低温制冷机101冷指外侧且与低温制冷机101冷指焊接相连的过渡法兰一201和套设在过渡法兰一201右端外侧且与过渡法兰一201焊接相连的CF法兰一202；所述过渡法兰一201上贯穿安装有夹层抽气管203。
所述杜瓦结构组件包括左右两端开口的杜瓦壳体401、焊接在杜瓦壳体401右端开口处的杜瓦盖板402、安装在杜瓦壳体401左端开口处的杜瓦底板403、贯穿安装在杜瓦底板403上的杜瓦冷指404以及与杜瓦冷指404右端部相连且位于杜瓦壳体401内部的支撑冷板405；所述杜瓦冷指404与低温制冷机冷指101之间设有环隙夹层500。所述杜瓦冷指404为薄壁件，与支撑冷板405进行真空钎焊。支撑冷板405内表面与低温制冷机冷头102进行直接耦合，对安装在支撑冷板405上的被冷器件进行制冷降温。
所述法兰组件二包括套设在杜瓦冷指404中左端外侧且与杜瓦底板403固定相连的过渡法兰二302和套设在过渡法兰二302的左端外侧且与过渡法兰二302焊接相连的CF法兰二301；所述CF法兰一202与CF法兰二301通过螺钉相连。
进一步的，所述支撑冷板405与低温制冷机冷头102相耦合，且二者之间采用导热硅脂或0.1~0.3mm铟片进行耦合，以减小接触热阻。所述支撑冷板405的耦合面与低温制冷机冷头102的端面相平行，且平行度≤0.05mm，保证二者之间良好耦合。低温制冷机冷头102与支撑冷板405耦合时，应留有合适的预压间距以保证二者充分耦合。
进一步的，所述杜瓦底板403与杜瓦壳体401之间设有O形密封圈。
进一步的，所述杜瓦底板403上贯穿安装有杜瓦排气管406。杜瓦排气管406，用于接真空泵对插拔式杜瓦进行抽空排气，排气后采用冷封方式对其进行密封。
进一步的，所述杜瓦冷指404为不锈钢材质的薄壁件，其厚度为0.15mm，既保证支撑强度又减小导热热阻。
进一步的，所述CF法兰一202和CF法兰二301均采用标准的CF50刀口密封法兰；所述CF法兰一202通过M8螺钉和CF法兰二301相连，可进行反复拆卸安装，密封可靠性高。
本发明的装配方法为：
（1）将被冷器件安装在支撑冷板405上，二者接触面之间采用0.1~0.3mm厚高纯铟片进行耦合。所述支撑冷板405为高导热材料，用于安装固定被冷器件。低温制冷机冷头102与支撑冷板405耦合，将冷量传导至被冷器件上。
（2）将连接有杜瓦冷指404和支撑冷板405的杜瓦底板403安装在杜瓦壳体401的左端开口处，并且在杜瓦底板403与杜瓦壳体401之间采用O形密封圈进行密封，然后采用12个M4内六角螺钉进行密封固定，将杜瓦底板403与杜瓦壳体401连接在一起，得到插拔式杜瓦。插拔式杜瓦的真空泄漏率不大于1.0×10-9 mbar·L/s。插拔式杜瓦与低温制冷机通过CF法兰一202与CF法兰二301进行密封连接，可反复进行拆卸和安装，易于操作，可靠性高。一旦低温制冷机101发生损坏，便于其维修和更换。
（3）将大冷量低温制冷机冷头102上涂抹导热硅脂或贴0.1~0.3mm厚的高纯铟片，在CF法兰二301上放置与低温制冷机冷头102相匹配的密封铜垫圈，然后将低温制冷机冷指插入到杜瓦冷指404中与支撑冷板405进行耦合。此时，CF法兰一202的右侧端面与CF法兰二301的左侧端面相接触，采用8个M8内六角螺钉将两个CF法兰连接在一起，并采用力矩扳手将M8内六角螺钉进行紧固。至此，低温制冷机与插拔式杜瓦耦合完成。
（4）步骤（3）完成后，在低温制冷机冷指与杜瓦冷指404之间有一环隙夹层500，CF法兰一202、过渡法兰一201、过渡法兰二302与低温制冷机冷指围成一空腔，环隙夹层500、空腔以及夹层抽气管203三者是相连通的。采用分子泵组分别与杜瓦排气管406和夹层抽气管203相连接，对插拔式杜瓦的内腔、空腔和环隙夹层500进行抽真空操作。操作完成后，将夹层抽气管203和杜瓦排气管406进行冷封密封，此时环隙夹层500为真空状态，形成真空夹层，其真空度不大于100Pa。通过设置真空夹层，能够消除夹层内空气对流漏热损失，提升本发明所述杜瓦结构的制冷性能。
当制冷机发生故障需要维修或更换时，采用力矩扳手或普通扳手将CF法兰一202与CF法兰二301上的M8内六角螺钉拆下来，便可将低温制冷机和插拔式杜瓦拆卸分离开。将维修好的或者新的低温制冷机按照上述装配方法再进行装配即可，操作简单方便。
当需要测试本发明所述的插拔式杜瓦结构的降温性能时，开启制冷机进行降温测试工作。为了测试本发明所述的插拔式杜瓦结构与现有技术中的集成式杜瓦的降温性能的区别，分别采用本发明所述的插拔式杜瓦结构与现有技术中的集成式杜瓦来冷却同一被冷器件，将制冷温度降至80K。如图4所示，根据所测结果进行比对，由于本发明所述的插拔式杜瓦结构消除了环隙夹层漏热损失，致使其制冷性能已接近于传统的集成式杜瓦，完全能够满足被冷器件的工作要求。而且传统的集成式杜瓦，制冷机与杜瓦焊接为一个整体不可分离，一旦制冷机损坏将导致整个系统报废无法使用。与传统集成式杜瓦相比，本发明在不破坏杜瓦的前提下可实现制冷机的拆卸，以便于制冷机更换和维修，更换后只需将制冷机冷指和杜瓦冷指之间的环隙夹层再次进行抽空密封即可。制冷机冷指与杜瓦冷指之间的环隙夹层为真空夹层，能够消除夹层内空气对流漏热损失，提升其制冷性能，使制冷性能与集成式杜瓦相当。
以上所述的实施例仅仅是对本发明的优选实施方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案作出的各种变形和改进，均应落入本发明权利要求书确定的保护范围内。
Claims (4)
1.一种带有真空夹层的插拔式杜瓦结构，其特征在于：包括安装在低温制冷机冷指上的法兰组件一、与法兰组件一可拆卸相连的法兰组件二以及与法兰组件二相连的杜瓦结构组件；
所述法兰组件一包括套设在低温制冷机冷指外侧且与低温制冷机冷指焊接相连的过渡法兰一和套设在过渡法兰一右端外侧且与过渡法兰一焊接相连的CF法兰一；所述过渡法兰一上贯穿安装有夹层抽气管；
所述杜瓦结构组件包括左右两端开口的杜瓦壳体、焊接在杜瓦壳体右端开口处的杜瓦盖板、安装在杜瓦壳体左端开口处的杜瓦底板、贯穿安装在杜瓦底板上的杜瓦冷指以及与杜瓦冷指右端部相连且位于杜瓦壳体内部的支撑冷板；所述杜瓦冷指与低温制冷机冷指之间设有环隙夹层；
所述法兰组件二包括套设在杜瓦冷指中左端外侧且与杜瓦底板固定相连的过渡法兰二和套设在过渡法兰二的左端外侧且与过渡法兰二焊接相连的CF法兰二；所述CF法兰一与CF法兰二通过螺钉相连；
所述支撑冷板与低温制冷机冷头相耦合，且二者之间采用导热硅脂或0.1～0.3mm铟片进行耦合；所述支撑冷板的耦合面与低温制冷机冷头端面相平行，且平行度≤0.05mm；
所述杜瓦底板上贯穿安装有杜瓦排气管；
CF法兰一、过渡法兰一、过渡法兰二与低温制冷机冷指围成一空腔，环隙夹层、空腔以及夹层抽气管三者是相连通的，采用分子泵组分别与杜瓦排气管和夹层抽气管相连接，对插拔式杜瓦的内腔、空腔和环隙夹层进行抽真空操作，操作完成后，将夹层抽气管和杜瓦排气管进行冷封密封。
2.根据权利要求1所述的一种带有真空夹层的插拔式杜瓦结构，其特征在于：所述杜瓦底板与杜瓦壳体之间设有O形密封圈。
3.根据权利要求1所述的一种带有真空夹层的插拔式杜瓦结构，其特征在于：所述杜瓦冷指为不锈钢材质的薄壁件，其厚度为0.15mm。
4.根据权利要求1所述的一种带有真空夹层的插拔式杜瓦结构，其特征在于：所述CF法兰一和CF法兰二均采用CF50刀口密封法兰；所述CF法兰一通过M8螺钉和CF法兰二相连。
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