CN110455018A - 一种用于闭循环制冷系统的连接装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于闭循环制冷系统的连接装置，包括：金属波纹管，其被配置为能够将闭循环制冷系统的制冷机冷头与制冷界面连接；以及液体阻尼装置，其包括用于容纳减震液体的液体容器，其中所述液体阻尼容器与金属波纹管接触以便衰减金属波纹管的振动。通过本发明，不仅极大地提高了连接装置的使用寿命以及机械强度，而且还实现了较好的机械振动衰减和较好的反渗透性。

Description

一种用于闭循环制冷系统的连接装置

技术领域

本发明总的来说涉及低温制冷装备领域，具体而言涉及一种用于闭循环制冷系统的连接装置。此外，本发明还涉及一种闭循环制冷系统和一种用于运行这样的连接装置的方法。

背景技术

4.2K低温环境(或简称“低温环境”)是指氦的同位素氦-4在常压下的气液相变的温度4.2K(开尔文)。该低温环境在物理、化学、材料、信息、生物、医疗、国防等领域有重要应用。许多高端精密的科学研究和技术应用不但需要低温环境，而且还需要低振动环境和真空、甚至超高真空环境。目前在低温装备领域获得低温环境和低振动环境最简单的办法是直接使用液氦进行冷却，但是使用液氦进行冷却价格昂贵，成本较高。这是因为中国氦气资源稀缺，而氦气又是不可再生资源，中国所需氦气主要是从美国进口，中国目前仅有的2处可开发的氦矿只能供应少量科研项目的利用。从2007年开始，美国将氦气定为战略储备资源，限制氦气产量并实施定额配给，中国遭受的影响非常大。

近年来由于液氦供应的日益短缺，国际上开始出现一些不需要液氦的基于闭循环制冷机如吉福特-麦克马洪(GM)制冷机和脉管式(PT) 制冷机等的低温制冷系统等，它们也能够实现4.2K低温环境。但这类闭循环制冷机系统的运行会引入低频机械振动(例如2赫兹、10微米量级)，因此在同时要求低振动和低温环境领域的应用中，必须把制冷头和制冷隔振界面采用波纹管进行软连接，并且两者之间采用氦气交换气作为传热介质。目前此类低振动的制冷设备通常采用薄壁橡胶波纹管进行软连接和氦气密封。由于橡胶天然具有的振动阻尼特性，其机械振动传递系数较小，因此薄壁橡胶波纹管可以非常好的隔绝制冷头的机械振动。然而，薄壁橡胶波纹管容易老化、使用寿命较低，且机械强度不高。

发明内容

本发明的任务是，提供一种用于闭循环制冷系统的连接装置，通过该连接装置，不仅极大地提高了连接装置的使用寿命以及机械强度，而且还实现了较好的机械振动衰减和较好的反渗透性。

根据本发明，该任务通过一种用于闭循环制冷系统的连接装置来解决，该连接装置包括：

金属波纹管，其被配置为能够将闭循环制冷系统的制冷机冷头与制冷界面连接；以及

液体阻尼装置，其包括用于容纳减震液体的液体容器，其中所述液体阻尼容器与金属波纹管接触以便衰减金属波纹管的振动。

在本发明的范围内，制冷界面(或称制冷隔振界面)例如是连通到要制冷的环境、如样品冷台、低温空间等的接口，通过该接口，制冷系统通过连接装置将冷量输入到要制冷的环境中。

在本发明的一个优选方案中规定，该连接装置还包括：

固体阻尼装置，其包括弹性固体减震装置，其中所述金属波纹管与弹性固体减震装置直接或间接地连接以便衰减金属波纹管的振动。

通过该优选方案，在已设置液体阻尼装置的情况下，可以通过固体阻尼进一步衰减制冷系统的振动。固体减震装置例如可以包括橡胶减震体、泡沫减震体、弹簧减震体等等，这些减震体可以直接或间接地附连到金属波纹管。

在本发明的一个扩展方案中规定，所述固体减震装置具有由橡胶制成的橡胶减震体，并且所述橡胶减震体通过第一金属框架与金属波纹管连接并且通过第二金属框架与地面接触或固定。通过该扩展方案，可以实现较高的固体减震效果。

在本发明的另一扩展方案中规定，所述橡胶减震体的承重为100公斤。橡胶减震体的承重计算方式为：制冷机冷头的重量+上层波纹管+ 第一金属框架的重量+由金属波纹管与外界的气压差导致的顶部压力。在此，根据具体实施方式的不同，可以相应地设置具有其它承重的橡胶减震体。

在本发明的一个优选方案中规定，所述减震液体是根据金属波纹管的弹性系数和闭循环制冷系统的振动频率来选择的。通过该优选方案，可以在使用不同的金属波纹管和制冷系统的情况下，选择减震效果最好的减震液体。

在本发明的优选方案中规定，金属波纹管由不锈钢制成并且所述闭循环制冷系统为4.2K制冷系统，并且其中所述减震液体为硅油，所述硅油的闪点为300摄氏度并且其粘度系数为350CS。通过该优选方案，可以在使用不锈钢波纹管的4.2K制冷系统的情况下，获得最优的减震效果。

在本发明的一个扩展方案中规定，金属波纹管的壁厚被选择为使得所述金属波纹管能够容纳气压低于0.3个大气压的氦气。通过该扩展方方案，可以较好地维持制冷界面处的3.5K的温度。

在本发明的另一扩展方案中规定，所述金属波纹管由不锈钢制成，并且其壁厚为0.2mm。通过该扩展方案，可以以最轻薄的不锈钢波纹管实现3.5K的制冷界面温度。

在本发明的又一扩展方案中规定，所述液体容器为金属圆筒件，所述金属圆筒件包围金属波纹管的管壁并且在底部被密封。通过该扩展方案，可以较好地实现减震液体与金属波纹管之间的接触，另外，金属圆筒件可以实现金属波纹管到减震液体之间较好的振动传播。

在本发明的一个优选方案中规定，所述液体阻尼装置在金属波纹管的50％以上、优选85％的长度范围内接触金属波纹管。通过该优选方案，可以实现振动的较好衰减。在设置85％接触长度的液体阻尼装置的情况下，可以将制冷系统的振动的振幅从10μm衰减为10nm。

此外，本发明还涉及一种闭循环制冷系统，其具有根据本发明的连接装置。

另外，本发明还涉及一种用于运行根据本发明的连接装置的方法，该方法包括下列步骤：

开启金属波纹管的真空阀门并且将金属波纹管抽至粗真空，其中所述粗真空的气压小于1Pa；

关闭真空阀门；

向金属波纹管中输入氦气，其中所述氦气的气压为1个大气压；以及

开启闭循环制冷系统。

本发明至少具有下列有益效果：(1)通过采用金属材质的波纹管，增大了波纹管的机械轻度、延长了其使用寿命；(2)通过采用金属材质的波纹管，与橡胶波纹管相比，大大降低了氦气从管壁的逸出以及环境气体通过管壁到波纹管内的扩散，由此提高了制冷系统的制冷效率并降低了补充氦气的成本；(3)通过采用金属材质的波纹管，与橡胶波纹管内仅能保持正压力否则会塌陷相比，金属波纹管内的压力可以为负而不会造成波纹管塌陷，由此使得氦气(液氦)在更低气压下达到更低的温度(如达到4.2K以下、如2.5K、3.5K)，使得可通过维持波纹管内的更低温度来提高制冷效果；(4)本发明通过采用液体阻尼装置，可以覆盖波纹管管壁的更大范围，从而提高振动衰减效果，而且与需要附连到地面或其它固定面的固体阻尼装置、如弹簧、橡胶相比，无需连接到其它固定面，由此实现灵活的安装场景和更低的安装成本。

附图说明

下面结合附图参考具体实施例来进一步阐述本发明。

图1示出了根据本发明的连接装置的立体图；以及

图2示出了根据本发明的连接装置的截面图。

具体实施方式

应当指出，各附图中的各组件可能为了图解说明而被夸大地示出，而不一定是比例正确的。在各附图中，给相同或功能相同的组件配备了相同的附图标记。

在本发明中，除非特别指出，“布置在…上”、“布置在…上方”以及“布置在…之上”并未排除二者之间存在中间物的情况。此外，“布置在…上或上方”仅仅表示两个部件之间的相对位置关系，而在一定情况下、如在颠倒产品方向后，也可以转换为“布置在…下或下方”，反之亦然。

在本发明中，各实施例仅仅旨在说明本发明的方案，而不应被理解为限制性的。

在本发明中，除非特别指出，量词“一个”、“一”并未排除多个元素的场景。

在此还应当指出，在本发明的实施例中，为清楚、简单起见，可能示出了仅仅一部分部件或组件，但是本领域的普通技术人员能够理解，在本发明的教导下，可根据具体场景需要添加所需的部件或组件。

在此还应当指出，在本发明的范围内，“相同”、“相等”、“等于”等措辞并不意味着二者数值绝对相等，而是允许一定的合理误差，也就是说，所述措辞也涵盖了“基本上相同”、“基本上相等”、“基本上等于”。以此类推，在本发明中，表方向的术语“垂直于”、“平行于”等等同样涵盖了“基本上垂直于”、“基本上平行于”的含义。

另外，本发明的各方法的步骤的编号并未限定所述方法步骤的执行顺序。除非特别指出，各方法步骤可以以不同顺序执行。

本发明提供了一种用于闭循环制冷系统的连接装置来实现制冷机 (如4.2K制冷机)的振动隔离和氦气密封的技术方案，其中可以将制冷机制冷头处的10微米量级振动降至制冷隔振界面处10纳米量级的振动。此方法解决了目前采用橡胶波纹管进行氦气密封的气体泄漏问题，使得制冷隔振界面可以免维护。本发明也解决了橡胶波纹管必须保持正压而使得4.2K制冷机制冷效率低下的问题，使得制冷隔振界面的基本温度可以长期保持在3.5K。

本发明基于发明人的如下独特洞察：

(1)橡胶对于氦气的渗透系数比较大，典型值约为 1×10^-10cm³/(cm²·sec·Pa·cm)。这是由于氦气的气体分子体积较小，而橡胶的分子链空隙较大，氦气很容易从薄壁橡胶波纹管往外泄露，因此需要经常补充氦气，而这个补气过程会造成温度的波动，带来不便。此外，橡胶对于空气的渗透系数的典型值约为5×10^-12cm³/(cm²·sec·Pa·cm)，约为氦气的1/20。因此空气中的水分子、氮气分子、氧气分子也会缓慢的渗透进薄壁橡胶波纹管，造成制冷头和制冷隔振界面结冰，使得制冷效率下降而缓慢升温，因此运行一段时间后就需要对制冷隔振界面进行升温维护，带来不便。在本发明中，通过采用薄壁金属波纹管(如不锈钢管焊接波纹管,其由金属片、如不锈钢片首位焊接而成)实现闭循环制冷机冷头和制冷隔振界面的软连接，可实现氦气的密封。不锈钢材质例如为304或者316。由于诸如铁原子之类的金属原子间的空隙比橡胶分子链的空隙小的多，因此金属管焊接波纹管对于氦气的漏率小于 1×10^-9Pa·L/sec，而空气的漏率还要再小两个量级，完美的解决了氦气泄漏和空气渗透问题。

(2)薄壁橡胶波纹管必须保持内部为正压，否则波纹管会向内塌缩。目前常用的4.2K闭循环制冷机在无热负载的时候，制冷头的最低温度可以达到2.8K，足以使氦气液化。而液氦的温度与气压密切相关，在0.1个大气压下为2.5K，1个大气压下为4.2K，2个大气压下为5.0K。在现有技术中采用橡胶波纹管作为隔振装置的4.2K闭循环制冷系统由于氦气交换气的气压必须高于1个大气压，因此制冷隔振界面的基本温度必然高于4.2K。同时由于交换气体没有固体热传导快，因此目前国际上基于橡胶波纹管的4.2K闭循环制冷机的制冷隔振界面的基本温度会比冷头基本温度高1K以上，使得样品基本温度只能在5.5K左右，造成4.2K制冷机制冷效率的下降。在本发明中，通过采用金属波纹管，由于金属波纹管的更高强度，可以降低金属波纹管内的压力(例如为负压)而不会造成波纹管塌陷，由此使得氦气(液氦)在更低气压下达到更低的温度(如达到4.2K以下、如2.5K、3.5K)，由此通过维持波纹管内的更低温度来提高制冷效果。

(3)金属波纹管在有内外压差的情况下相当于一个弹簧，因此机械振动的传递系数较高，直接将其替换橡胶波纹管虽然可以解决氦气密封和空气渗透问题，但是无法解决振动问题，因此必须要对金属波纹管进行阻尼以降低机械振动的传递系数。在本发明中，通过采用液体阻尼装置，可以覆盖波纹管管壁的更大范围，从而提高振动衰减效果，而且与需要附连到地面或其它固定面的固体阻尼装置、如弹簧、橡胶相比，无需连接到其它固定面，由此实现灵活的安装场景和更低的安装成本。此外，配合诸如橡胶减震体之类的固体阻尼装置，可以进一步衰减振动。

图1和图2分别示出了根据本发明的连接装置100的立体图及其截面图。

参见图1和图2，根据本发明的连接装置100包括下列部件(其中一些部件是可选的)：

·金属波纹管、在此为不锈钢波纹管105，其被配置为能够将闭循环制冷系统的制冷机冷头101与制冷隔振界面连接109。在此应当指出，尽管在本发明是以不锈钢波纹管105为例进行说明的，但是本发明不限于此，在其它实施例中，可以使用其它材料的波纹管、如铜波纹管。

·液体阻尼装置、在此为硅油阻尼器106，其包括用于容纳减震液体的液体容器，其中所述液体阻尼容器与不锈钢波纹管105的管壁接触、尤其是以形状配合的方式贴合以便衰减金属波纹管的振动。在此，液体容器为不锈钢圆筒，减震液体为硅油。所述金属圆筒件包围金属波纹管的管壁并且在底部被密封。

·可选的固体阻尼装置，其包括弹性固体减震装置、在此为橡胶减震体104，其中所述不锈钢波纹管105与弹性固体减震装置直接或间接地连接以便衰减金属波纹管的振动。所述橡胶减震体104通过第一金属框架与不锈钢波纹管105连接。在此为不锈钢框架103与不锈钢波纹管 105连接并且通过第二金属(未示出)与地面接触或固定。

下面阐述连接装置100的安装过程。

a.提供不锈钢薄壁焊接波纹管105。由于不锈钢波纹管105对于机械振动的传递系数较高，直接将其替换橡胶波纹管虽然可以解决氦气密封和空气渗透问题，但是无法解决振动问题，因此要采用带阻尼的具有一定长度的不锈钢波纹管来降低机械振动的传递系数。本发明采用的不锈钢波纹管105的自然长度优选为20厘米。不锈钢波纹管105的内外径由制冷机制冷头101的尺寸所决定。

b.将闭循环制冷机冷头(或称制冷头)101固定到不锈钢波纹管105 的顶层法兰盘102上，然后通过不锈钢框架103固定到橡胶减震体(或称阻尼胶支撑件)104上，最后再通过金属框架(未示出)固定到地面。经过估算，本实施例系统中包括制冷机冷头101的重量、上层波纹管及其法兰盘102的重量、波纹管105内外气压差所导致的顶部大气压力在内，其最大总负载约为350公斤，优选的，采用单个承重100公斤的橡胶支撑件104。不锈钢波纹管105优选为薄壁不锈钢。优选地，壁厚为 0.2mm。

c.在不锈钢波纹管105(剖面图)的外部焊接薄壁不锈钢圆筒作为液体阻尼装置106。优选地，薄壁不锈钢圆筒的壁厚为0.5mm。底部密封，顶部开放，以便往里面灌注硅油。液体阻尼装置106可以将不锈钢波纹管105的大部分浸没在硅油中。优选的，85％的波纹管105浸没在硅油中。硅油的选型由不锈钢波纹管的弹性系数和制冷机的振动频率所决定。优选的，选用闪点为300摄氏度，粘度系数为350CS的硅油。通过以上隔振措施的组合，能将制冷机冷头101处的10微米量级振动降至制冷隔振界面109处10纳米量级的振动。

d.将不锈钢波纹管105的底部法兰盘107例如通过螺栓和密封圈固连到超高真空腔的法兰盘108，图中省略了超高真空腔。将一级热交换界面112和二级热交换界面110例如利用镀金无氧铜和镜面抛光不锈钢做好热屏蔽(未示出)，将真空系统利用分子泵和离子泵抽至超高真空(<5×10^-8Pa)。

e.将不锈钢波纹管105和制冷机制冷头101之间的空间利用机械泵抽至粗真空(<1Pa)，然后关闭真空阀门(图中已经省略)，往里灌入约一个大气压的高纯氦气(99.999％)，然后开启4.2K闭循环制冷机。

f.4.2K闭循环制冷机在无热负载的时候，制冷头的最低温度可以达到2.8K，会有部分氦气被液化，此时制冷机相当于一个冷凝泵。这使得不锈钢焊接波纹管内部的氦气压在达到动态平衡以后，会从室温1个大气压降至低温下0.3个大气压。因此制冷隔振界面处的基本温度可以长期保持在3.5K。

本发明至少具有下列有益效果：(1)通过采用金属材质的波纹管，增大了波纹管的机械轻度、延长了其使用寿命；(2)通过采用金属材质的波纹管，与橡胶波纹管相比，大大降低了氦气从管壁的逸出以及环境气体通过管壁到波纹管内的扩散，由此提高了制冷系统的制冷效率并降低了补充氦气的成本；(3)通过采用金属材质的波纹管，与橡胶波纹管内仅能保持正压力否则会塌陷相比，金属波纹管内的压力可以为负而不会造成波纹管塌陷，由此使得氦气(液氦)在更低气压下达到更低的温度(如达到4.2K以下、如2.5K、3.5K)，使得可通过维持波纹管内的更低温度来提高制冷效果；(4)本发明通过采用液体阻尼装置，可以覆盖波纹管管壁的更大范围，从而提高振动衰减效果，而且与需要附连到地面或其它固定面的固体阻尼装置、如弹簧、橡胶相比，无需连接到其它固定面，由此实现灵活的安装场景和更低的安装成本。

虽然本发明的一些实施方式已经在本申请文件中予以了描述，但是本领域技术人员能够理解，这些实施方式仅仅是作为示例示出的。本领域技术人员在本发明的教导下可以想到众多的变型方案、替代方案和改进方案而不超出本发明的范围。所附权利要求书旨在限定本发明的范围，并藉此涵盖这些权利要求本身及其等同变换的范围内的方法和结构。

附图标记列表

101 制冷机冷头

102 不锈钢波纹管的顶层法兰盘

103 不锈钢框架

104 橡胶减震体

105 不锈钢波纹管

106 硅油阻尼器

107 不锈钢波纹管的底层法兰盘

108 超高真空腔的法兰盘

109 制冷隔振界面

110 制冷隔振界面的二级热交换界面

111 制冷机的一级冷头

112 制冷隔振界面的一级热交换界面。

Claims (12)

1.一种用于闭循环制冷系统的连接装置，包括：

金属波纹管，其被配置为能够将闭循环制冷系统的制冷机冷头与制冷界面连接；以及

液体阻尼装置，其包括用于容纳减震液体的液体容器，其中所述液体阻尼容器与金属波纹管接触以便衰减金属波纹管的振动。

2.根据权利要求1所述的连接装置，还包括：

固体阻尼装置，其包括弹性固体减震装置，其中所述金属波纹管与弹性固体减震装置直接或间接地连接以便衰减金属波纹管的振动。

3.根据权利要求2所述的连接装置，其中所述固体减震装置具有包含橡胶的橡胶减震体，并且所述橡胶减震体通过第一金属框架与金属波纹管连接并且通过第二金属框架与地面接触或固定。

4.根据权利要求3所述的连接装置，其中所述橡胶减震体的承重为100公斤。

5.根据权利要求1所述的连接装置，其中所述减震液体是根据金属波纹管的弹性系数和闭循环制冷系统的振动频率来选择的。

6.根据权利要求4所述的连接装置，其中金属波纹管由不锈钢制成并且所述闭循环制冷系统为4.2K制冷系统，并且其中所述减震液体为硅油，所述硅油的闪点为300摄氏度并且其粘度系数为350CS。

7.根据权利要求1所述的连接装置，其中金属波纹管的壁厚被选择为使得所述金属波纹管能够容纳气压低于0.3个大气压的氦气。

8.根据权利要求1所述的连接装置，其中所述金属波纹管由不锈钢制成，并且其壁厚为0.2mm。

9.根据权利要求1所述的连接装置，其中所述液体容器为金属圆筒件，所述金属圆筒件包围金属波纹管的管壁并且在底部被密封。

10.根据权利要求1至9之一所述的连接装置，其中所述液体阻尼装置在金属波纹管的50％以上长度的范围内接触金属波纹管。

11.一种闭循环制冷系统，其具有根据权利要求1至10之一所述的连接装置。

12.一种用于运行根据权利要求1至8之一所述的连接装置的方法，包括下列步骤：

开启金属波纹管的真空阀门并且将金属波纹管抽至粗真空，其中所述粗真空的气压小于1Pa；

关闭真空阀门；

向金属波纹管中输入氦气，其中所述氦气的气压为1个大气压；以及

开启闭循环制冷系统。