CN113865179B - 一种1k液池、其液氦制冷系统及降低极限温度的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种1K液池、其液氦制冷系统及降低极限温度的方法。所述1K液池是用来储存液体并通过真空泵降低液面处的饱和蒸汽压，将温度降至1K；所述1K液池包括液氦进入口、液池腔、限膜流孔、液氦抽口。结合超流爬行膜爬升高度、真空泵抽速、1K液池处的饱和蒸气压推导发现，适当开大抽口直径而不是单一的限制超流膜抽口尺寸对降低1K系统的最低温度更加有利。在常规使用情况下，可以根据系统的实际情况尽可能的开大1K液池近端的抽口(半径不大于2.2cm即可)。
Description
技术领域
本发明属于实验物理领域，具体涉及一种1K液池、其液氦制冷系统及降低极限温度的方法。
背景技术
在实验物理中，经常使用液氦作为冷媒对系统进行减压制冷，因液氦-氦气最低温度与饱和蒸气压相关，故通常情况下会利用降低工作点处氦气的压力使得系统处于较低的氦饱和蒸气压处，进而达到更低的温度。液氦还具有一个特殊的性质，即当温度低于2.17K时会发生超流相变，此时液氦为超流态，粘滞系数几乎为零，具有超流特性。早期实验发现，附图5中杯口处在超流氦液面以上的空烧杯会自动流入液体，直到杯内外液面高度一致为止。此时若把烧杯提起，则杯内液面会降低，当烧杯底高于外部液面时可观察到有液滴从杯底滴落。实际上只要环境温度低于超流临界温度，超流液氦总可以沿器壁表面爬行，通常称为超流膜爬行现象。但是若爬行路径存在温度梯度，当液氦膜爬行到温度足够高处时，液氦膜会蒸发变为气体。超流液氦膜爬行现象对于液氦减压制冷技术有较明显的影响–液氦膜蒸发后的气体被真空泵抽走，占用了真空泵的抽速，导致作为制冷源的液面蒸发受到抑制，从而减小了制冷功率，影响系统能够实现的极限温度。
对于使用氦作为冷媒的低温系统来说，为了达到更低的温度，一种常用的做法是引入一个液池用来储存液体并通过真空泵降低液面处的饱和蒸汽压，从而达到较低的温度，由于此方法通常能将温度降至1K附近，因此此液池经常被称为1K液池。
为了抑制因超流产生的爬行膜导致的无效抽速，通常在抽口处增加光滑的小孔，如1mm直径小孔，此举可以有效减小液氦膜爬行至高温区的总体流量。但实际测量中发现，因分子流气体流导与管路面积呈正比关系：
其中，
为气体流量，S为管路面积，较小的抽路管道直径对于提高对蒸发液面的直接抽速不利。以上两个因素互相牵制：抑制超流爬行膜产生的无效蒸发需要减小抽口尺寸，降低气液界面压强需要增大抽口尺寸。如何选择抽口尺寸成为了决定系统最低温度的关键所在，实践可知，在有1K液池的液氦系统中，如果按照教科书中的说法，机械的将1K液池抽口设计成1mm直径，会导致系统无法降至预期温度。
发明内容
因此，本发明的目的在于克服现有技术中的缺陷，提供一种1K液池、其液氦制冷系统及降低极限温度的方法。
在阐述本发明内容之前，定义本文中所使用的术语如下：
术语“1K液池”是指：在制冷系统中用来储存液体并通过降低液面处的饱和蒸汽压，将温度降至较低的温度如1K附近的液池。
为实现上述目的，本发明的第一方面提供了一种用于液氦制冷系统的1K液池，所述1K液池包括液氦进入口、液池腔、限膜流孔、液氦抽口；所述液氦抽口的半径R≤2.2cm。
根据本发明第一方面的1K液池，其中，当所述液池腔中储存的液氦进入超流态且1K液池温度不低于1K时，所述液氦抽口的半径R的范围为0.5mm<R≤2.2cm，优选为1.0mm<R≤2.2cm，更优选为1.5mm<R≤2.2cm，进一步优选2.0mm<R≤2.2cm，最优选为R＝2.2cm。
根据本发明第一方面的1K液池，其中，当所述液池腔中储存的液氦进入超流态且1K液池温度不低于1K时，所述液氦抽口的半径R根据公式(1)得出，
其中，Pmin为系统在小孔处的最低压强，h为超流膜的爬升高度。
根据本发明第一方面的1K液池，其中，所述超流态温度为＜2.2K。
根据本发明第一方面的1K液池，其中，所述1K液池的形状为：圆柱形或圆环形。
本发明的第二方面提供了一种液氦制冷系统，所述液氦制冷系统包括根据第一方面所述的1K液池和真空泵。
根据本发明第二方面的液氦制冷系统，其中，在所述系统中，由于限制因素，所述1K液池的抽口半径R≤1cm；
优选地，所述限制因素选自以下一种或多种：空间、管线匹配、真空泵抽速、系统漏热。
本发明的第三方面提供了一种降低根据第一方面所述的1K液池的极限温度的方法，所述方法包括以下步骤：
(1)当所述1K液池中的液氦超流后形成液氦超流膜，沿着液池腔壁向上爬行，通过公式(2)计算超流膜的化学势；
其中，μ0是体态化学势，h是爬行高度，α是与范德瓦尔斯势有关的常数，d是超流膜厚度，n是d的指数；
优选地，n优选为2～4，最优选为3；
(2)当达到平衡时，μfilm＝μ0，即
经简化后得公式(3)；
(3)考虑液氦抽口限膜流孔为半径为R的圆形小孔，单位时间内由于超流膜爬行导致的通过小孔的超流液氦通过公式(4)计算得出，其中，d为超流膜厚度，vs为20～40cm/s，最优选为30cm/s，是典型的超流液体速度；
dV{liq}/dt＝2πRdvs (4)；
(4)在饱和蒸气压下，dVgas/dt＝γdVliq/dt；
优选地，γ＝700为液体和气体的体积比；
(5)当使用抽速为dVpump/dt的泵时，则系统在小孔处的最低压强为：
其中，P是泵的出气口压力,并且忽略了小孔以上抽气管路的流阻；
优选地，P优选为0.1～2bar，最优选为1bar；
(6)因此Pmin∝Rd或Pmin∝Rh-1/3；将以上各式代入式(5)，得到公式(1)；
(7)当液氦抽口处最低压强和1K时液氦饱和蒸气压相同时，考虑超流膜爬行高度最低为1cm(即d＝30nm)，按照最低抽速真空泵，此时液氦抽口限膜流孔开口大小即为满足液池达到1K温度所允许的最大开口；
Pmin＝1.2x10-4R【cm】bar，
根据本发明第三方面的方法，其中，所述步骤(7)中：
所述1K时液氦饱和蒸气压为2.66ⅹ10-4bar；
所述真空泵的最低抽速为
根据本发明第三方面的方法，其中，所述方法还包括通过降低液池腔中液氦的液面处的饱和蒸汽压，使其达到液池内所能达到的最低压强；
优选地，4He在0.65K～5K之间的饱和蒸气压公式为：
其中，P为蒸气压，单位是Pa；
优选地，所述降低液池腔中液氦液面处饱和蒸汽压为通过真空泵进行。
根据本发明的一个具体实施方案，决定1K液池温度的因素还是液池内所能达到的最低压强。根据ITS-90标准，4He在0.65K-5K之间的饱和蒸气压公式为
本发明的一种降低1K液池极限温度的方法可以具有但不限于以下有益效果：
1、结合超流爬行膜爬升高度、真空泵抽速、1K液池处的饱和蒸气压推导发现，适当开大抽口直径而不是单一的限制超流膜抽口尺寸对降低1K系统的最低温度更加有利。在常规使用情况下，可以根据系统的实际情况尽可能的开大1K液池近端的抽口(半径不大于2.2cm即可)。
2、在实际系统中，必须要考虑在超流膜以上的抽气管路，通常因为空间及漏热因素限制，抽气管路是逐级加粗，直至与泵接口尺寸匹配，因此实际系统中抽气管路的流导比以上计算值偏小，因串联流导为倒数关系，系统总流导受到最小孔径的影响最大。故可以用上述结果粗略估算带有外部管路的实际系统。
3.与传统的通过限制泵浦抽口尺寸方式抑制超流爬行膜的方式不同，本专利通过理论分析提出适当开大抽口口径可以更有效地降低系统最低温度，并且已经在多台液氦减压降温系统上得以验证。对于带有1K液池的使用氦作为冷媒的制冷系统，当液氦进入超流态时(温度<2.2K)，
这里Pmin为系统在小孔处的最低压强，h为超流膜的爬升高度，R为1K液池近端抽口半径。当1K液池温度不低于1K时，0.5mm<R<2.2cm范围内选择越大的抽口对于降低系统温度越有利。
附图说明
以下，结合附图来详细说明本发明的实施方案，其中：
图1示出了实施例1中本发明的带有限膜流孔的1K液池示意图。
图2示出了饱和蒸气压曲线，其中，实线部分为超流相变温度点以下的曲线，虚线部分为超流相变点以上的曲线。
图3示出了实施例2中超流膜在容器壁上的形状。
图4示出了实施例2中超流膜爬行现象。
图5示出了未加限膜流孔的1K液池示意图。
具体实施方式
下面结合附图通过具体的实施例进一步说明本发明，但是，应当理解为，这些实施例仅仅是用于更详细具体地说明之用，而不应理解为用于以任何形式限制本发明。
通过参考示范性实施例，本发明的目的和功能以及用于实现这些目的和功能的方法将得以阐明。然而，本发明并不受限于以下所公开的示范性实施例:可以通过不同形式来对其加以实现。说明书的实质仅仅是帮助相关领域技术人员综合理解本发明的具体细节。
实施例1
本实施例用于说明本发明用于液氦制冷系统的1K液池的结构。
如图1所示，本实施例中所述的1K液池包括液氦进入口、液池腔、限膜流孔、液氦抽口，其中所述液氦抽口的半径可根据实施例2中的方法计算选择。
实施例2
本实施例用于说明本发明降低1K液池极限温度的方法。
将实施例1的1K液池应用于液氦制冷系统，用来储存液体并通过真空泵降低液面处的饱和蒸汽压，从而达到较低的温度，当1K液池中的液氦超流后形成液氦超流膜，沿着液池腔壁向上爬行，此超流膜的化学势为：
这里μ0是体态化学势，h是爬行高度，α是与范德瓦尔斯势有关的常数，d是超流膜厚度，n是d的指数且n＝3。
超流膜在容器壁上的形状通常附图3所示。
当达到平衡时，μfilm＝μ0，即
经简化后得公式(3)；
考虑液氦抽口限膜流孔为半径为R的圆形小孔，单位时间内由于超流膜爬行导致的通过小孔的超流液氦为：
dV{liq}/dt＝2πRdvs (4)；
这里d为超流膜厚度，vs＝30cm/s，是典型的超流液体速度。
在饱和蒸气压下，dVgas/dt＝γdVliq/dt，γ＝700为液体和气体的体积比。
当使用抽速为dVpump/dt的泵时，则系统在小孔处的最低压强为
其中，P＝1bar，P是泵的出气口压力，并且忽略了小孔以上抽气管路的流阻。因此Pmin∝Rd或Pmin∝Rh-1/3。可见为了降低压力(亦即系统最低温度)，小孔直径R越小或液面之上的超流膜高度越高越好，或者二者同时满足。将以上各式代入式(5)，得到公式(1)：
1K时液氦饱和蒸气压为2.66x10-4bar，当抽口处最低压强Pmin＝2.66x10-4bar时，考虑超流膜爬行高度最低为1cm(d＝30nm)，按照通常选用的最低抽速真空泵，
此时开口大小即为满足液池达到1K温度所允许的最大开口。
整理上式可得：Pmin＝1.2x10-4R【cm】bar。
因此，
以上计算说明，对于最低温度1K的液氦系统，当超流膜爬高为1cm，选用常规最低抽速真空泵(抽速12m3/h)时，抽口半径最大为2.2cm。
而通常在实际系统中，由于空间和管线匹配等因素限制抽口半径通常不会超过1cm。以上说明在常规使用情况下，超流膜爬升蒸发引入的抽速损失对1K液池近端抽口处的最低压强的影响为小量，对1K系统的最低温度没有影响。
在实际系统中，必须要考虑在超流膜以上的抽气管路，通常因为空间及漏热因素限制，抽气管路是逐级加粗，直至与泵接口尺寸匹配，因此实际系统中抽气管路的流导比以上计算值偏小，因串联流导为倒数关系，系统总流导受到最小孔径的影响最大。故可以用上述结果粗略估算带有外部管路的实际系统。
结合超流爬行膜爬升高度、真空泵抽速、1K液池处的饱和蒸气压推导发现，适当开大抽口直径而不是单一的限制超流膜抽口尺寸对降低1K系统的最低温度更加有利。在常规使用情况下，可以根据系统的实际情况尽可能的开大1K液池近端的抽口(半径不大于2.2cm即可)。
尽管本发明已进行了一定程度的描述，明显地，在不脱离本发明的精神和范围的条件下，可进行各个条件的适当变化。可以理解，本发明不限于所述实施方案，而归于权利要求的范围，其包括所述每个因素的等同替换。
Claims (18)
1.一种用于液氦制冷系统的1K液池，所述1K液池包括液氦进入口、液池腔、限膜流孔、液氦抽口，其特征在于:
当所述液池腔中储存的液氦进入超流态且1K液池温度不低于1K时，所述液氦抽口的半径R的范围为0.5mm<R≤2.2cm；
当所述液池腔中储存的液氦进入超流态且1K液池温度不低于1K时，所述液氦抽口的半径R根据公式(1)得出，
其中，Pmin为系统在限膜流孔 处的最低压强，h为超流膜的爬升高度；γ为液体和气体的体积比，P为泵的出气口压力,并且忽略了限膜流孔 以上抽气管路的流阻，d为超流膜厚度，vs为典型的超流液体速度，Vpump为真空泵的最低抽速。
2.根据权利要求1所述的1K液池，其特征在于，当所述液池腔中储存的液氦进入超流态且1K液池温度不低于1K时，所述液氦抽口的半径R的范围为1.0mm<R≤2.2cm。
3.根据权利要求2所述的1K液池，其特征在于，当所述液池腔中储存的液氦进入超流态且1K液池温度不低于1K时，所述液氦抽口的半径R的范围为1.5mm<R≤2.2cm。
4.根据权利要求3所述的1K液池，其特征在于，当所述液池腔中储存的液氦进入超流态且1K液池温度不低于1K时，所述液氦抽口的半径R的范围为2.0mm<R≤2.2cm。
5.根据权利要求4所述的1K液池，其特征在于，当所述液池腔中储存的液氦进入超流态且1K液池温度不低于1K时，所述液氦抽口的半径R的范围为R＝2.2cm。
6.根据权利要求1所述的1K液池，其特征在于，所述超流态温度为＜2.2K。
7.根据权利要求1所述的1K液池，其特征在于，所述1K液池的形状为：圆柱形或圆环形。
8.一种液氦制冷系统，其特征在于，所述液氦制冷系统包括根据权利要求1至7中任一项所述的1K液池和真空泵。
9.根据权利要求8所述的液氦制冷系统，其特征在于，在所述系统中，由于限制因素，所述1K液池的液氦抽口半径R≤1cm。
10.根据权利要求9所述的液氦制冷系统，其特征在于，所述限制因素选自以下一种或多种：空间、管线匹配、真空泵抽速、系统漏热。
11.一种降低根据权利要求1至7中任一项所述的1K液池的极限温度的方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：
(1)当所述1K液池中的液氦超流后形成液氦超流膜，沿着液池腔壁向上爬行，通过公式(2)计算超流膜的化学势；
其中，μ0是体态化学势，h是爬行高度，α是与范德瓦尔斯势有关的常数，d是超流膜厚度，n是d的指数，n为2～4；
(2)当达到平衡时，μfilm＝μ0，即
经简化后得公式(3)；
(3)考虑液氦抽口限膜流孔为半径为R的圆形小孔，单位时间内由于超流膜爬行导致的通过小孔的超流液氦通过公式(4)计算得出，其中，d为超流膜厚度，vs为20～40cm/s，是典型的超流液体速度；
dV{liq}/dt＝2πRdvs (4)；
(4)在饱和蒸气压下，dVgas/dt＝γdVliq/dt；
γ＝700为液体和气体的体积比；
(5)当使用抽速为dVpump/dt的泵时，则系统在小孔处的最低压强为：
其中，P是泵的出气口压力,并且忽略了小孔以上抽气管路的流阻，P为0.1～2bar；
(6)因此Pmin∝Rd或Pmin∝Rd；将以上各式代入式(5)，得到公式(1)；
(7)当液氦抽口处最低压强和1K时液氦饱和蒸气压相同时，考虑超流膜爬行高度最低为1cm(即d＝30nm)，按照真空泵最低抽速，此时液氦抽口限膜流孔开口大小即为满足液池达到1K温度所允许的最大开口；
Pmin＝1.2x10-4R【cm】bar，
12.根据权利要求11所述的方法，其特征在于，所述步骤(1)中，n为3。
13.根据权利要求11所述的方法，其特征在于，所述步骤(3)中，vs为30cm/s。
14.根据权利要求11所述的方法，其特征在于，所述步骤(5)中，P为1bar。
15.根据权利要求11所述的方法，其特征在于，所述步骤(7)中：
所述1K时液氦饱和蒸气压为2.66ⅹ10-4bar；
所述真空泵的最低抽速为
16.根据权利要求11所述的方法，其特征在于，所述方法还包括通过降低液池腔中液氦的液面处的饱和蒸汽压，使其达到液池内所能达到的最低压强。
17.根据权利要求16所述的方法，其特征在于，4He在0.65K～5K之间的饱和蒸气压公式为：
其中，P为蒸气压，单位是Pa。
18.根据权利要求16或17所述的方法，其特征在于，所述降低液池腔中液氦液面处饱和蒸汽压为通过真空泵进行。
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Legal Events
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|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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