CN114754508A - 可抑制超流氦液膜反重力爬升的极低温冷头蒸发器 - Google Patents
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Abstract
本申请涉及超流氦低温节流制冷机的技术领域，公开了一种可抑制超流氦液膜反重力爬升的极低温冷头蒸发器，包括：底座、蒸发器主体、顶盖、第一连管、第二连管以及多孔烧结隔层，其中，利用多孔烧结隔层实现了对常规液氦和超流液氦的分隔，且通过隔热效果良好的顶盖及其特殊结构设计，可有效控制节流前温度以抑制超流氦液膜的反重力爬升，从而保证了极低温冷头蒸发器内压力和温度的稳定，对于工作在超流氦温区的极低温节流制冷机的实际应用具有非常积极的意义。
Description
技术领域
本申请涉及制冷及低温工程领域，特别涉及超流氦低温节流制冷机的技术领域。
背景技术
超流氦温区低温节流制冷机利用氦气工质节流后产生的降压降温效应获取低于超流转变点(2.17K)及以下的温度。由于在低温端没有运动部件，具有无振动、高可靠等特性，这使得超流氦低温节流制冷机成为近年来极低温区制冷机研究的一大热门，在量子通信、深空探测、超导物理等方面都具有相当广泛的应用。
需指出，对于极低温冷头蒸发器，其是产生超流氦温度并与实际负载进行换热的重要装置。
然而，目前的极低温冷头蒸发器由于性能上还存在不足，因此尚无法很好地满足科学试验和工程应用所提出的要求。例如，冷头温度不稳定、制冷量不足、制冷系统的稳定性不足等等。
发明内容
本申请的目的在于提供一种可抑制超流氦液膜反重力爬升的极低温冷头蒸发器，能够更有效地稳定冷头温度，提高制冷量，并更有效地提高制冷系统的稳定性。
本申请公开了一种可抑制超流氦液膜反重力爬升的极低温冷头蒸发器，包括：该蒸发器由底座、蒸发器主体、顶盖、第一连管、第二连管、多孔烧结隔层，其中，
所述底座作为与冷却负载换热的部件，与所述蒸发器主体之间连接及密封；
所述蒸发器主体用于贮存常规液氦与超流液氦，与所述顶盖之间连接及密封；
所述第一连管与所述顶盖之间通过连接及密封；
所述第二连管与所述顶盖之间连接及密封；
所述第一连管中气体的压力高于所述第二连管；并且，
所述蒸发器主体的中间设置有多孔烧结隔层，所述多孔烧结隔层由所述顶盖限位，所述多孔烧结隔层将所述蒸发器主体内部空腔分为位于上部的常规液氦贮存腔和位于下部的超流液氦贮存腔，由此实现常规液氦与超流液氦的分离。
在一个优选例中，其特征在于：所述底座与所述蒸发器主体的材质选自下组：无氧铜、不锈钢、金。
在一个优选例中，其特征在于：所述底座上部包含一凸台，并且，所述蒸发器主体下部包含一与所述底座上部的凸台相配合的凹槽，并且，所述顶盖下部包含一凸台，所述蒸发器主体上部包含一与所述顶盖下部的凸台相配合的凹槽。
在一个优选例中，其特征在于：所述顶盖的材质选用碳纤维或玻璃纤维。
在一个优选例中，其特征在于：所述蒸发器主体内部中间位置包含一凸台环，用于对多孔烧结隔层的下底面进行限位。
在一个优选例中，其特征在于：所述多孔烧结隔层材质为多孔陶瓷或多孔金属烧结物。
在一个优选例中，其特征在于：所述顶盖下部包含一限位圆柱，用于对所述多孔烧结隔层的上底面进行限位，并且，在限位圆柱周围包含一圆周尖角，以消除沿蒸发器主体侧壁反重力爬升的超流氦液膜。
在一个优选例中，其特征在于：所述第一连管下端中部包含一内径为10～50微米的小孔通道。
在一个优选例中，其特征在于：所述第一连管的上端面包含一平台，用于安装加热辅助设备，以将第一连管内的流体温度控制在超流转变点温度以上。
在一个优选例中，其特征在于：所述第一连管的下端面包含一凸台，所述顶盖上端面右侧包含一与所述第一连管的下端面的凸台相配合的凹槽。
在一个优选例中，其特征在于：所述第二连管的下端面包含一凸台，所述顶盖上端面左侧包含一与所述第二连管的下端凸台相配合的凹槽。
在一个优选例中，其特征在于：所述底座密封圈、顶盖密封圈、高压密封圈以及低压密封圈材质选自下组：金丝、银丝、铟丝。
在本申请的实施方式中，首先，对常规液氦和超流液氦进行了空间上的分隔。当冷头蒸发器内的压力处于超流氦温度对应饱和压力以上时，常规液氦无法渗透穿越多孔烧结隔层，因此保持在常规液氦贮存腔内；当冷头蒸发器内的压力降低至超流氦温度对应饱和压力时，超流液氦可以穿越多孔烧结隔层进入超流液氦贮存腔，由此超流液氦的上表面与蒸发器顶盖之间的距离会增加，形成超流氦液膜反重力爬升的第一层抑制因素。
第二，顶盖的特殊物理结构设计直接抑制了超流氦液膜的反重力爬升。当少量超流氦液膜上升到顶盖时，顶盖下部的圆周尖角会引导液膜在尖端处聚集形成液滴，在重力的作用下可滴落重新返回超流液氦贮存腔，通过这种方式直接抑制了超流氦液膜的反重力爬升。
第三，实现了节流前后温度的独立性。顶盖采用低温下导热系数极低的碳纤维或玻璃纤维，大大减少了第一连管、第二连管和蒸发器主体之间的热流传递，从而可以将第一连管内流体的温度控制在超流温度以上，从而保证了冷头蒸发器内压力和温度的稳定。
换句话说，本发明一方面利用多孔烧结隔层对常规液氦和超流液氦进行空间上的分隔，实现超流氦液膜反重力爬升的第一层屏障；另一方面通过对顶盖进行特殊结构设计，使其形成超流氦液膜的反重力爬升的第二层屏障。另外，顶盖良好的隔热效果能减少组成冷头蒸发器各部件之间的热传递，实现对节流前温度的单独控制，从而保证了极低温冷头蒸发器内压力和温度的稳定。
由此，本申请的可抑制超流氦液膜反重力爬升的极低温冷头蒸发器，能够更有效地稳定冷头温度，提高制冷量，并更有效地提高制冷系统的稳定性。
上述发明内容中公开的各个技术特征、在下文各个实施方式和例子中公开的各技术特征、以及附图中公开的各个技术特征，都可以自由地互相组合，从而构成各种新的技术方案(这些技术方案均应该视为在本说明书中已经记载)，除非这种技术特征的组合在技术上是不可行的。例如，在一个例子中公开了特征A+B+C，在另一个例子中公开了特征A+B+D+E，而特征C和D是起到相同作用的等同技术手段，技术上只要择一使用即可，不可能同时采用，特征E技术上可以与特征C相组合，则，A+B+C+D的方案因技术不可行而应当不被视为已经记载，而A+B+C+E的方案应当视为已经被记载。
附图说明
图1是根据本申请第一实施方式的可抑制超流氦液膜反重力爬升的极低温冷头蒸发器的三维结构分解图；
图2是根据本申请第一实施方式的可抑制超流氦液膜反重力爬升的极低温冷头蒸发器的剖视图；
图3是根据本申请第一实施方式的可抑制超流氦液膜反重力爬升的极低温冷头蒸发器的顶盖的剖视图。
1：底座
2：蒸发器主体
3：顶盖
4：高压密封圈
5：第一连管
6：第二连管
7：低压密封圈
8：顶盖密封圈
9：常规液氦贮存腔
10：多孔烧结隔层
11：超流液氦贮存腔
12：底座密封圈
13：圆周尖角
14：限位圆柱
具体实施方式
在以下的叙述中，为了使读者更好地理解本申请而提出了许多技术细节。但是，本领域的普通技术人员可以理解，即使没有这些技术细节和基于以下各实施方式的种种变化和修改，也可以实现本申请所要求保护的技术方案。
下面概要说明本申请实施方式的部分创新点：
本申请的发明人经过长期深入的研究发现，现有技术中存在的冷头温度不稳定、制冷量不足、制冷系统的稳定性不足等技术问题与以下原因有内在的关联。
首先，现有的极低温冷头蒸发器无法有效抑制超流氦液膜的反重力爬升。冷头蒸发器中的饱和液氦在进入超流温区后其物理性质会发生明显改变，在其液体表面会形成一层Rolling薄膜，该薄膜会沿着固体表面反重力爬升，且薄膜厚度是液体上方高度的函数，因此该液膜对小型低温系统冷头蒸发器的影响更为明显。如果该液膜与冷头蒸发器以外的部件接触，则会造成冷头温度不稳定、制冷量减小等问题，因此有必要对超流氦液膜的反重力爬升进行抑制。
第二，现有的极低温冷头蒸发器无法有效控制节流前温度的稳定性。超流氦的另一个特性是无粘性，如果节流前后的温度不能够保持独立，则随着冷头蒸发器整体温度的降低和回热交换的进行，节流前温度也会到达超流温区，此时节流前流体将无阻力通过节流孔，这会造成热力循环中高低压力和质量流量发生突变，给制冷系统的稳定性带来潜在风险。
由此，本申请的发明人创造性地提出了一种可抑制超流氦液膜反重力爬升的极低温冷头蒸发器，其主要的技术构思包括：
首先，对常规液氦和超流液氦进行了空间上的分隔。当冷头蒸发器内的压力处于超流氦温度对应饱和压力以上时，常规液氦无法渗透穿越多孔烧结隔层，因此保持在常规液氦贮存腔内；当冷头蒸发器内的压力降低至超流氦温度对应饱和压力时，超流液氦可以穿越多孔烧结隔层进入超流液氦贮存腔，由此超流液氦的上表面与蒸发器顶盖之间的距离会增加，形成超流氦液膜反重力爬升的第一层抑制因素。
第二，顶盖的特殊物理结构设计直接抑制了超流氦液膜的反重力爬升。当少量超流氦液膜上升到顶盖时，顶盖下部的圆周尖角会引导液膜在尖端处聚集形成液滴，在重力的作用下可滴落重新返回超流液氦贮存腔，通过这种方式直接抑制了超流氦液膜的反重力爬升。
第三，实现了节流前后温度的独立性。顶盖采用低温下导热系数极低的碳纤维或玻璃纤维，大大减少了第一连管、第二连管和蒸发器主体之间的热流传递，从而可以将第一连管内流体的温度控制在超流温度以上，从而保证了冷头蒸发器内压力和温度的稳定。
综上所述，本发明使用多孔烧结隔层对常规液氦和超流液氦进行了空间上的分隔，并通过顶盖的特殊结构设计及其材料选择，在能控制节流前温度的前提下抑制超流氦液膜的反重力爬升，从而保证了极低温冷头蒸发器内压力和温度的稳定，对于工作在超流氦温区的极低温节流制冷机的实际应用具有非常积极的意义。由此，本申请的可抑制超流氦液膜反重力爬升的极低温冷头蒸发器，能够更有效地稳定冷头温度，提高制冷量，并更有效地提高制冷系统的稳定性。
为使本申请的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本申请的实施方式作进一步地详细描述。
本申请的第一实施方式涉及一种可抑制超流氦液膜反重力爬升的极低温冷头蒸发器，该极低温冷头蒸发器是指工作在超流转变温度，即2.17K以下的冷头蒸发器。
如图1、图2和图3所示，该可抑制超流氦液膜反重力爬升的极低温冷头蒸发器包括：底座1、蒸发器主体2、顶盖3、第一连管5、第二连管6、多孔烧结隔层10。
具体地说，底座1作为与冷却负载换热的部件，与蒸发器主体2之间通过螺丝及底座密封圈12连接及密封。
蒸发器主体2用于贮存常规液氦与超流液氦，与顶盖3之间通过螺丝及顶盖密封圈8连接及密封。
更具体的，第一连管5与顶盖3之间通过螺丝及高压密封圈4连接及密封；第二连管6与顶盖3之间通过螺丝及低压密封圈7连接及密封。第一连管5中气体的压力高于第二连管6。第一连管5又可称为高压连管，第二连管6又可称为低压连管。
进一步的，蒸发器主体2还包含多孔烧结隔层10，多孔烧结隔层10设置于蒸发器主体2的中间位置，由顶盖3对其限位。多孔烧结隔层10将蒸发器主体2内部空腔分为上下两部分，上部为常规液氦贮存腔9，下部为超流液氦贮存腔11，由此实现常规液氦与超流液氦的分离。
在本申请的一个实施例中，所述底座1和蒸发器主体2的材质选自下组：无氧铜、不锈钢、金。例如，所述底座1和蒸发器主体2的材质均选用无氧铜，其温度保持在2.17K以下。
进一步的，所述底座1上部包含一凸台，所述蒸发器主体2下部包含一与所述底座1上部的凸台相配合的凹槽。所述顶盖3下部包含一凸台，蒸发器主体2上部包含一与顶盖3下部的凸台相配合的凹槽。
需指出，上述两处配合起到定位及挤压密封圈的作用。
在本申请的一个实施例中，所述顶盖3的材质选用碳纤维或玻璃纤维。
例如，所述顶盖3的材质选用玻璃纤维G-10CR，其在1K和2K下的热导率分别为0.01和0.038W/m·K。
进一步的，所述蒸发器主体2内部中间位置包含一凸台环，用于对多孔烧结隔层10的下底面进行限位。
在本申请的一个实施例中，所述多孔烧结隔层10材质为多孔陶瓷或多孔金属烧结物。
例如，所述多孔烧结隔层10材质为多孔陶瓷，其厚度为2mm，孔隙的平均直径为0.5μm。
所述顶盖3下部包含一限位圆柱14，直径为2mm，高度为10mm，用于对多孔烧结隔层10的上底面进行限位。
进一步的，在限位圆柱14周围包含一圆周尖角13，高度为1.5mm，以消除沿蒸发器主体2侧壁反重力爬升的超流氦液膜。
在本申请的一个实施例中，所述第一连管5下端中部包含一内径为10至50微米的小孔通道。
例如，所述第一连管5下端中部包含一内径为12微米的小孔通道。
所述第一连管5的上端面包含一平台，用于安装加热辅助设备，以将第一连管5内的流体温度控制在超流转变点温度以上。
例如，在上述平台上安装一电阻为50Ω的加热片，以将第一连管5内的流体温度控制在超流转变点温度以上。
所述第一连管5的下端面包含一凸台，所述顶盖3上端面右侧包含一与第一连管5的下端凸台相配合的凹槽，以起到定位及挤压密封圈的作用。
所述第二连管6的下端面包含一凸台，所述顶盖3上端面左侧包含一与第二连管6的下端凸台相配合的凹槽，以起到定位及挤压密封圈的作用。
在本申请的一个实施例中，所述底座密封圈12、顶盖密封圈8、高压密封圈4以及低压密封圈7材质选自以下组：金丝、银丝、铟丝。
例如，所述底座密封圈12、顶盖密封圈8、高压密封圈4以及低压密封圈7材质选用铟丝。
进一步的，上述实施例的技术效果至少包括：
首先，对常规液氦和超流液氦进行了空间上的分隔。当冷头蒸发器内的压力处于超流氦温度对应饱和压力以上时，常规液氦无法渗透穿越多孔烧结隔层10，因此保持在常规液氦贮存腔9内；当冷头蒸发器内的压力降低至超流氦温度对应饱和压力时，超流液氦可以穿越多孔烧结隔层10进入超流液氦贮存腔11，由此超流液氦的上表面与蒸发器顶盖3之间的距离会增加，形成超流氦液膜反重力爬升的第一层抑制因素。
第二，顶盖3的特殊物理结构设计直接抑制了超流氦液膜的反重力爬升。当少量超流氦液膜上升到顶盖3时，顶盖3下部的圆周尖角会引导液膜在尖端处聚集形成液滴，在重力的作用下可滴落重新返回超流液氦贮存腔11，通过这种方式直接抑制了超流氦液膜的反重力爬升。
第三，实现了节流前后温度的独立性。顶盖3采用低温下导热系数极低的碳纤维或玻璃纤维，大大减少了第一连管、第二连管和蒸发器主体之间的热流传递，从而可以将第一连管内流体的温度控制在超流温度以上，从而保证了冷头蒸发器内压力和温度的稳定。
综上所述，本申请的实施例使用多孔烧结隔层10对常规液氦和超流液氦进行了空间上的分隔，并通过顶盖3的特殊结构设计及其材料选择，在能控制节流前温度的前提下抑制超流氦液膜的反重力爬升，从而保证了极低温冷头蒸发器内压力和温度的稳定，对于工作在超流氦温区的极低温节流制冷机的实际应用具有非常积极的意义。
因此，本申请的可抑制超流氦液膜反重力爬升的极低温冷头蒸发器，能够更有效地稳定冷头温度，提高制冷量，并更有效地提高制冷系统的稳定性。
需要说明的是，在公开中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。本申请中，如果提到根据某要素执行某行为，则是指至少根据该要素执行该行为的意思，其中包括了两种情况：仅根据该要素执行该行为、和根据该要素和其它要素执行该行为。多个、多次、多种等表达包括2个、2次、2种以及2个以上、2次以上、2种以上。
本说明书包括本文所描述的各种实施例的组合。对实施例的单独提及(例如“一个实施例”或“一些实施例”或“优选实施例”)不一定是指相同的实施例；然而，除非指示为是互斥的或者本领域技术人员很清楚是互斥的，否则这些实施例并不互斥。应当注意的是，除非上下文另外明确指示或者要求，否则在本说明书中以非排他性的意义使用“或者”一词。
在本申请提及的所有文献都被认为是整体性地包括在本申请的公开内容中，以便在必要时可以作为修改的依据。此外应理解，在阅读了本申请的内容之后，本领域技术人员可以对本申请作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所要求保护的范围。
Claims (12)
1.一种可抑制超流氦液膜反重力爬升的极低温冷头蒸发器，其特征在于，包括：该蒸发器由底座(1)、蒸发器主体(2)、顶盖(3)、第一连管(5)、第二连管(6)、多孔烧结隔层(10)，其中，
所述底座(1)作为与冷却负载换热的部件，与所述蒸发器主体(2)之间连接及密封；
所述蒸发器主体(2)用于贮存常规液氦与超流液氦，与所述顶盖(3)之间连接及密封；
所述第一连管(5)与所述顶盖(3)之间通过连接及密封；
所述第二连管(6)与所述顶盖(3)之间连接及密封；
所述第一连管中气体的压力高于所述第二连管；并且，
所述蒸发器主体(2)的中间设置有多孔烧结隔层(10)，所述多孔烧结隔层(10)由所述顶盖(3)限位，所述多孔烧结隔层(10)将所述蒸发器主体(2)内部空腔分为位于上部的常规液氦贮存腔(9)和位于下部的超流液氦贮存腔(11)，由此实现常规液氦与超流液氦的分离。
2.根据权利要求1所述可抑制超流氦液膜反重力爬升的极低温冷头蒸发器，其特征在于：所述底座(1)与所述蒸发器主体(2)的材质选自下组：无氧铜、不锈钢、金。
3.根据权利要求1所述可抑制超流氦液膜反重力爬升的极低温冷头蒸发器，其特征在于：所述底座(1)上部包含一凸台，并且，所述蒸发器主体(2)下部包含一与所述底座(1)上部的凸台相配合的凹槽，并且，所述顶盖(3)下部包含一凸台，所述蒸发器主体(2)上部包含一与所述顶盖(3)下部的凸台相配合的凹槽。
4.根据权利要求1所述可抑制超流氦液膜反重力爬升的极低温冷头蒸发器，其特征在于：所述顶盖(3)的材质为碳纤维或玻璃纤维。
5.根据权利要求1所述可抑制超流氦液膜反重力爬升的极低温冷头蒸发器，其特征在于：所述蒸发器主体(2)内部中间位置包含一凸台环，用于对多孔烧结隔层(10)的下底面进行限位。
6.根据权利要求1所述可抑制超流氦液膜反重力爬升的极低温冷头蒸发器，其特征在于：所述多孔烧结隔层(10)材质为多孔陶瓷或多孔金属烧结物。
7.根据权利要求1所述可抑制超流氦液膜反重力爬升的极低温冷头蒸发器，其特征在于：所述顶盖(3)下部包含一限位圆柱(14)，用于对所述多孔烧结隔层(10)的上底面进行限位，并且，在限位圆柱(14)周围包含一圆周尖角(13)，以消除沿蒸发器主体(2)侧壁反重力爬升的超流氦液膜。
8.根据权利要求1所述可抑制超流氦液膜反重力爬升的极低温冷头蒸发器，其特征在于：所述第一连管(5)下端中部包含一内径为10～50微米的小孔通道。
9.根据权利要求1所述可抑制超流氦液膜反重力爬升的极低温冷头蒸发器，其特征在于：所述第一连管(5)的上端面包含一平台，用于安装加热辅助设备，以将第一连管(5)内的流体温度控制在超流转变点温度以上。
10.根据权利要求1所述可抑制超流氦液膜反重力爬升的极低温冷头蒸发器，其特征在于：所述第一连管(5)的下端面包含一凸台，所述顶盖(3)上端面右侧包含一与所述第一连管(5)的下端面的凸台相配合的凹槽。
11.根据权利要求1所述可抑制超流氦液膜反重力爬升的极低温冷头蒸发器，其特征在于：所述第二连管(6)的下端面包含一凸台，所述顶盖上端面左侧包含一与所述第二连管(6)的下端凸台相配合的凹槽。
12.根据权利要求1所述可抑制超流氦液膜反重力爬升的极低温冷头蒸发器，其特征在于：所述底座密封圈(12)、顶盖密封圈(8)、高压密封圈(4)以及低压密封圈(7)材质选自下组：金丝、银丝、铟丝。
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2022
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