CN114279167B - 超流氦系统的预冷装置 - Google Patents

Abstract

本发明的实施例提供了一种超流氦系统的预冷装置，包括：真空罩、制冷机、换热器、冷凝器、超流氦腔、低温节流阀和机械热开关。制冷机设有一级冷头和二级冷头，一级冷头和二级冷头均位于真空罩的真空腔内。一级冷头与换热器连接，二级冷头与冷凝器连接，低温节流阀与冷凝器和超流氦腔连接，使得液氦转化为超流氦。机械热开关可升降地插装在真空罩内，机械热开关的一端穿入真空罩的内腔并延伸至超流氦腔处，且机械热开关的下端设有导热法兰，导热法兰能够与超流氦腔进行接触或分离。导热法兰通过导热件与一级冷头连接以将一级冷头的冷量传递至导热法兰上。该预冷装置能够极大缩短超流氦系统的预冷时间。

Description

超流氦系统的预冷装置

技术领域

本发明涉及低温冷却技术领域，尤其涉及一种超流氦系统的预冷装置。

背景技术

低温环境对于一些大型科学工程十分重要。如粒子回旋加速器，热核聚变实验堆等大型科学工程都需要极低的温度来冷却内部的一些重要部件，才能达到预想的效果。此外，在低温环境中，一些材料会表现出与常温下完全不同的特性。比如不锈钢会出现磁化现象，超导材料在达到其低温转变温度时实现超导等。同时，一些特殊材料在低温下的性质测试需要搭建相应的低温系统。

直接采用低温液体浸泡来达到预设温度，是最直接的获得低温的方法。但是这种方法能达到的目标温度有限，如液氮只能达到77K，液氦只能达到4.2K。此外，这种方法对于气体的消耗量比较大，会造成资源的浪费。若想要达到1.8K的超流氦温度，则需要利用节流阀的节流效应将液氦转化为超流氦。

在超流氦低温系统的设计中，液氦目前采用两种方法来获取：一是采用直接输液氦的方式来得到液氦，但该方法在前期预冷阶段会浪费大量昂贵的液氦，而且所达到的温区比较有限。另一种方法是利用制冷机预冷，先将氦气进行液化，再通过节流阀将液氦转变为超流氦。这种方法存在的问题是制冷机预冷时间太长。

发明内容

本发明实施例提供一种超流氦系统的预冷装置，用以解决现有技术中超流氦系统通过制冷机进行预冷时，预冷时间太长的问题。

根据本发明的实施例，提供了一种超流氦系统的预冷装置，包括：真空罩、制冷机、换热器、冷凝器、超流氦腔、低温节流阀和机械热开关。

其中，所述制冷机设有一级冷头和二级冷头，所述一级冷头和所述二级冷头均位于所述真空罩的真空腔内。

其中，所述一级冷头与所述换热器连接，所述二级冷头与所述冷凝器连接，所述低温节流阀与所述冷凝器和所述超流氦腔连接，使得液氦转化为超流氦。

其中，所述机械热开关可升降地插装在所述真空罩内，所述机械热开关的一端穿入所述真空罩的内腔并延伸至所述超流氦腔处，且所述机械热开关的下端设有导热法兰，所述导热法兰能够与所述超流氦腔进行接触或分离。

其中，所述导热法兰通过导热件与所述一级冷头连接以将所述一级冷头的冷量传递至所述导热法兰上。

根据本发明的实施例，所述超流氦系统的预冷装置还包括一级冷屏和二级冷屏。

其中，所述一级冷头、所述二级冷头、所述换热器、所述冷凝器、所述超流氦腔位于所述一级冷屏内。

其中，所述二级冷屏位于所述一级冷屏内部，所述冷凝器和所述超流氦腔位于所述二级冷屏内。

其中，所述机械热开关的一端穿过所述一级冷屏和所述二级冷屏，并延伸至所述二级冷屏内的超流氦腔处。

根据本发明的实施例，所述机械热开关包括连接杆组件和所述导热法兰，所述连接杆组件包括一级连接杆和二级连接杆。

其中，所述一级连接杆穿过所述真空罩与所述二级连接杆连接，所述二级连接杆的末端设有所述导热法兰。

根据本发明的实施例，所述真空罩上设有安装法兰，所述安装法兰的边缘上安装有多根固定杆，所述固定杆上安装有固定板，所述固定板上设有供所述一级连接杆穿设的通孔。

其中，所述一级连接杆上端设有外螺纹，所述通孔内设有内螺纹，所述一级连接杆的外螺纹与所述通孔的内螺纹配合，使所述一级连接杆进行升降运动。

根据本发明的实施例，所述一级连接杆的下端部由上至下依次连接有一级法兰、中间法兰和二级法兰，所述一级法兰、所述中间法兰和所述二级法兰与所述一级连接杆同轴设置。

其中，所述中间法兰的内圈直径小于所述一级连接杆的内径，所述中间法兰的内圈直径小于所述一级法兰和所述二级法兰的内圈直径，由此所述中间法兰在所述一级连接杆下端部内形成凸台，所述二级连接杆的上端部设有凹槽，所述凹槽间隙配合安装在所述凸台上。

根据本发明的实施例，所述一级冷屏上设有凹陷槽，所述二级连接杆上固定安装有卡块，所述卡块配合插装在所述一级冷屏的凹陷槽内。

根据本发明的实施例，所述真空罩的安装法兰与所述一级连接杆之间设有动密封螺母和动密封压套。

根据本发明的实施例，所述导热法兰与所述机械热开关的下端部之间设有环氧树脂垫片。

根据本发明的实施例，所述二级连接杆上设有环氧树脂连接件。

根据本发明的实施例，所述一级连接杆和所述二级连接杆上均设有抽气开孔。

在本发明实施例提供的超流氦系统的预冷装置中，所述制冷机设有一级冷头和二级冷头，所述一级冷头和所述二级冷头均位于所述真空罩的真空腔内；其中，所述一级冷头与所述换热器连接，所述二级冷头与所述冷凝器连接，所述低温节流阀与所述冷凝器和所述超流氦腔连接，使得液氦转化为超流氦。其中，所述机械热开关可升降地插装在所述真空罩内，所述机械热开关的一端穿入所述真空罩的内腔并延伸至所述超流氦腔处，且所述机械热开关的下端设有导热法兰，所述导热法兰能够与所述超流氦腔进行接触或分离。其中，所述导热法兰通过导热件与所述一级冷头连接以将所述一级冷头的冷量传递至所述导热法兰上。

通过这种结构设置，能够实现如下预冷过程：所述制冷机为超流氦系统提供冷源，所述换热器与所述制冷机的一级冷头连接，对氦气进行预冷；所述冷凝器与所述制冷机的二级冷头连接，将预冷后的氦气冷凝为液氦；所述液氦经所述低温节流阀转变为超流氦并流至所述超流氦腔中；所述一级冷头的冷量能够通过所述机械热开关和所述导热件直接传递至所述超流氦腔中。

根据以上的描述的预冷过程可知，在超流氦系统预冷阶段时，开启机械热开关，即，使所述导热法兰与所述超流氦腔接触，通过所述导热件使得所述制冷机的一级冷头的冷量传导至所述超流氦腔，实现所述超流氦腔的迅速降温。在预冷完成以后，断开所述机械热开关，即，使所述导热法兰与所述超流氦腔接触分离。由此，使得超流氦系统的预冷时间大大减少。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明实施例提供的超流氦系统的预冷装置的结构示意图；

图2是本发明实施例提供的超流氦系统的预冷装置的机械热开关的结构示意图；

图3是本发明实施例提供的超流氦系统的预冷装置的机械热开关的剖视图；

图4是本发明实施例提供的超流氦系统的预冷装置的机械热开关中一级连接杆与二级连接杆的连接结构示意图。

附图标记：

1：低温节流阀；2：制冷机；3：机械热开关；4：真空罩；5：换热器；6：一级冷屏；7：冷凝器；8：二级冷屏；9：超流氦腔；10：一级连接杆；11：固定板；12：固定杆；13：动密封螺母；14：二级连接杆；15：卡块；16：环氧树脂连接件；17：环氧树脂垫片；18：导热法兰；19：动密封压套；20：抽气开孔；21：导热件；22一级法兰；23：中间法兰；24：二级法兰。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明的实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不能用来限制本发明的范围。

在本发明实施例的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明实施例和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明实施例的限制。此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

在本发明实施例的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明实施例中的具体含义。

在本发明实施例中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明实施例的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

下面结合图1至图4对本发明实施例提供的超流氦系统的预冷装置进行描述。应当理解的是，以下所述仅是本发明的示意性实施方式，并不对本发明构成任何特别限定。

如图1所示，本发明的实施例提供了一种超流氦系统的预冷装置。该预冷装置包括：真空罩4、制冷机2、换热器5、冷凝器7、超流氦腔9、低温节流阀1和机械热开关3。

此处应当说明的是，对于真空罩4的具体结构本发明不作任何限定。例如，真空罩4可以由筒体和底座构成，筒体和底座焊接连接，筒体和底座由不锈钢材料制成。

其中，制冷机2设有一级冷头和二级冷头，一级冷头和二级冷头均位于真空罩4的真空腔内。

其中，一级冷头与换热器5连接，二级冷头与冷凝器7连接，低温节流阀1与冷凝器7和超流氦腔9连接，使得液氦转化为超流氦。

例如，换热器5与一级冷头螺纹连接，冷凝器7与二级冷头螺纹连接。

此处应当说明的是，对于换热器5与一级冷头的连接方式以及冷凝器7与二级冷头的连接方式，本发明不作任何具体限定。

又例如，可以将低温节流阀1的控制端置于真空罩4外，其中，低温节流阀1的液氦进口与超流氦出口图中未示出。

其中，机械热开关3可升降地插装在真空罩4内，机械热开关3的一端穿入真空罩4的内腔并延伸至超流氦腔9处，且机械热开关3的下端设有导热法兰18，导热法兰18能够与超流氦腔9进行接触或分离。

其中，导热法兰18通过导热件21与一级冷头连接以将一级冷头的冷量传递至导热法兰18上。

例如，导热件21可以为导热紫铜软线。此处应当说明的是，导热件21包括但不限于导热紫铜软线。同时，导热件21与导热法兰18和一级冷头的连接方式包括但不限于螺纹连接。

通过这种结构设置，能够实现如下预冷过程：制冷机2为超流氦系统提供冷源，换热器5与制冷机2的一级冷头连接，对氦气进行预冷；冷凝器7与制冷机2的二级冷头连接，将预冷后的氦气冷凝为液氦；液氦经低温节流阀1转变为超流氦并流至超流氦腔9中；一级冷头的冷量能够通过机械热开关3和导热件21直接传递至超流氦腔9中。

根据以上的描述的预冷过程可知，在超流氦系统预冷阶段时，开启机械热开关3，即，使导热法兰18与超流氦腔9接触，通过导热件21使得制冷机2的一级冷头的冷量传导至超流氦腔9，实现超流氦腔9的迅速降温。在预冷完成以后，断开机械热开关3，即，使导热法兰18与超流氦腔9接触分离。由此，使得超流氦系统的预冷时间大大减少。

在本发明的一个实施例中，如图1所示，该超流氦系统的预冷装置还包括一级冷屏6和二级冷屏8。

其中，一级冷头、二级冷头、换热器5、冷凝器7、超流氦腔9位于一级冷屏6内；二级冷屏8位于一级冷屏6内部，冷凝器7和超流氦腔9位于二级冷屏8内；机械热开关3的一端穿过一级冷屏6和二级冷屏8，并延伸至二级冷屏8内的超流氦腔9处。

通过以上描述的实施例可知，在该超流氦系统的预冷装置中增设一级冷屏6和二级冷屏8，能够有效减少由于导热和对流引而起的漏热，从而实现更好的预冷效果。

此处应当理解的是，导热件21用于将制冷机2的一级冷头的冷量传导至超流氦腔9中，而换热器5与制冷机2的一级冷头连接，同时，一级冷屏6的冷量也来自于制冷机2的一级冷头。因此，导热件21可以与制冷机2的一级冷头直接连接，也可以与换热器5或一级冷屏6连接，以上连接方式均可以实现将制冷机2的一级冷头的冷量传导至超流氦腔9中。

此处还应当说明的是，为了保证传热的可靠性，一级冷屏6和二级冷屏8的材质为无氧铜，并且一级冷屏6和二级冷屏8需进行酸洗钝化处理。

在本发明的一个实施例中，如图1和图2所示，机械热开关3包括连接杆组件和导热法兰18，连接杆组件包括一级连接杆10和二级连接杆14。

其中，一级连接杆10穿过真空罩4与二级连接杆14连接，二级连接杆14的末端设有导热法兰18。

在本发明的又一实施例中，如图1至3所示，真空罩4上设有安装法兰，安装法兰的边缘上安装有多根固定杆12，固定杆12上安装有固定板11，固定板11上设有供一级连接杆10穿设的通孔。例如，固定杆12和固定板11由不锈钢材料制成。

其中，一级连接杆10上端设有外螺纹，通孔内设有内螺纹，一级连接杆10的外螺纹与通孔的内螺纹配合，使一级连接杆10进行升降运动。

根据以上描述的实施例可知，通过一级连接杆10上的外螺纹与固定板11上的通孔的内螺纹配合能较为稳定地控制机械热开关3的闭合或者断开。同时，能够在真空罩4外旋转一级连接杆10进而控制机械热开关3的闭合与断开，操作较为方便。

进一步地，在本发明的一个实施例中，如图1至图4所示，一级连接杆10的下端部由上至下依次连接有一级法兰22、中间法兰23和二级法兰24，一级法兰22、中间法兰23和二级法兰24与一级连接杆10同轴设置。

其中，中间法兰23的内圈直径小于一级连接杆10的内径，中间法兰23的内圈直径小于一级法兰22和二级法兰24的内圈直径，由此中间法兰23在一级连接杆10下端部内形成凸台，二级连接杆14的上端部设有凹槽，凹槽间隙配合安装在凸台上。

更具体地，在本发明的一个实施例中，如图1至图4所示，一级冷屏6上设有凹陷槽，二级连接杆14上固定安装有卡块15，卡块15配合插装在一级冷屏6的凹陷槽内。

通过这种结构设置，使得一级连接杆10在进行旋转提升运动时，带动二级连接杆14仅做提升运动，而不做旋转运动。由此能够有效防止导热件21缠绕在二级连接杆14上，进而有效保护了导热件21和二级连接杆14。

在本发明的一个实施例中，真空罩4的安装法兰与一级连接杆10之间设有动密封螺母13和动密封压套19。

根据以上描述的实施例可知，动密封螺母13与动密封压套19配合形成动密封结构，该动密封结构能够在机械热开关3升降的过程中保证真空罩4与一级连接杆10的密封性，使得真空罩4内腔能够保持完全真空状态。

在本发明的一个实施例中，如图2所示，导热法兰18与机械热开关3的下端部之间设有环氧树脂垫片17。

在本发明的一个实施例中，如图2所示，二级连接杆14上设有环氧树脂连接件16。

通过上述描述可知，在导热法兰18与机械热开关3下端之间设有环氧树脂垫片17，在二级连接杆14上设有环氧树脂连接件16，提高了机械热开关3的热效率，有效减少了制冷机2的一级冷头的冷量沿导热法兰18和二级连接杆14的漏热量。

在本发明的一个实施例中，如图3所示，一级连接杆10和二级连接杆14上均设有抽气开孔20。

根据以上描述的实施例可知，在对真空罩4抽真空的同时能够实现一并对一级连接杆10和二级连接杆14进行抽真空，无需单独对一级连接杆10和二级连接杆14抽真空，极大简化了抽真空工作，同时，操作也较为方便。

以下结合具体实施方式，对采用该预冷装置的超流氦系统的工作过程进行描述。应当理解，以下仅是本发明的示意性实施方式，并不对本发明构成任何限定。具体来说，上述工作过程可以包括如下步骤：

通过外部真空泵对真空罩4、换热器5、冷凝器7、超流氦腔9以及一级连接杆10和二级连接杆14进行抽真空，然后进行氦气置换纯化的操作；

开启制冷机2，打开机械热开关3，使得机械热开关3中的导热法兰18与超流氦腔9紧密接触；

达到预定温度后，关闭机械热开关3，使得机械热开关3中的导热法兰18与超流氦腔9分离；

当冷凝器7中有液氦出现时，打开低温节流阀1，使得液氦从冷凝器7流经低温节流阀1转变为超流氦并进入超流氦腔9中。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (7)

1.一种超流氦系统的预冷装置，其特征在于，包括：真空罩、制冷机、换热器、冷凝器、超流氦腔、低温节流阀和机械热开关，

其中，所述制冷机设有一级冷头和二级冷头，所述一级冷头和所述二级冷头均位于所述真空罩的真空腔内，

其中，所述一级冷头与所述换热器连接，所述二级冷头与所述冷凝器连接，所述低温节流阀与所述冷凝器和所述超流氦腔连接，使得液氦转化为超流氦，

其中，所述机械热开关可升降地插装在所述真空罩内，所述机械热开关的一端穿入所述真空罩的内腔并延伸至所述超流氦腔处，且所述机械热开关的下端设有导热法兰，所述导热法兰能够与所述超流氦腔进行接触或分离，

其中，所述导热法兰通过导热件与所述一级冷头连接以将所述一级冷头的冷量传递至所述导热法兰上，

所述超流氦系统的预冷装置还包括一级冷屏和二级冷屏，

其中，所述一级冷头、所述二级冷头、所述换热器、所述冷凝器、所述超流氦腔位于所述一级冷屏内，

其中，所述二级冷屏位于所述一级冷屏内部，所述冷凝器和所述超流氦腔位于所述二级冷屏内，

其中，所述机械热开关的一端穿过所述一级冷屏和所述二级冷屏，并延伸至所述二级冷屏内的超流氦腔处，

所述机械热开关包括连接杆组件和所述导热法兰，所述连接杆组件包括一级连接杆和二级连接杆，

其中，所述一级连接杆穿过所述真空罩与所述二级连接杆连接，所述二级连接杆的末端设有所述导热法兰，

所述一级冷屏上设有凹陷槽，所述二级连接杆上固定安装有卡块，所述卡块配合插装在所述一级冷屏的凹陷槽内。

2.根据权利要求1所述的超流氦系统的预冷装置，其特征在于，所述真空罩上设有安装法兰，所述安装法兰的边缘上安装有多根固定杆，所述固定杆上安装有固定板，所述固定板上设有供所述一级连接杆穿设的通孔，

其中，所述一级连接杆上端设有外螺纹，所述通孔内设有内螺纹，所述一级连接杆的外螺纹与所述通孔的内螺纹配合，使所述一级连接杆进行升降运动。

3.根据权利要求2所述的超流氦系统的预冷装置，其特征在于，所述一级连接杆的下端部由上至下依次连接有一级法兰、中间法兰和二级法兰，所述一级法兰、所述中间法兰和所述二级法兰与所述一级连接杆同轴设置，

其中，所述中间法兰的内圈直径小于所述一级连接杆的内径，所述中间法兰的内圈直径小于所述一级法兰和所述二级法兰的内圈直径，由此所述中间法兰在所述一级连接杆下端部内形成凸台，所述二级连接杆的上端部设有凹槽，所述凹槽间隙配合安装在所述凸台上。

4.根据权利要求2所述的超流氦系统的预冷装置，其特征在于，所述真空罩的安装法兰与所述一级连接杆之间设有动密封螺母和动密封压套。

5.根据权利要求1所述的超流氦系统的预冷装置，其特征在于，所述导热法兰与所述机械热开关的下端部之间设有环氧树脂垫片。

6.根据权利要求1所述的超流氦系统的预冷装置，其特征在于，所述二级连接杆上设有环氧树脂连接件。

7.根据权利要求1所述的超流氦系统的预冷装置，其特征在于，所述一级连接杆和所述二级连接杆上均设有抽气开孔。

Images