CN115682629B - 一种外挂式的小型氦液化器 - Google Patents

Abstract

本发明属于制冷与低温设备相关技术领域，并公开了一种外挂式的小型氦液化器，其包括制冷单元、氦气进气管、上颈管、下颈管、冷凝器和输液管等，其中氦气进气管与上颈管连接，用于导入原料氦气；制冷单元配置有一级冷头和二级冷头，所导入的原料氦气首先接触一级冷头进行对流换热，再进入下颈管接触二级冷头进行对流换热，液化后进入输液管；此外，输液管与冷凝器之间可拆卸安装，并具备柔性管用于与各类液氦低温杜瓦直接耦合连接。通过本发明，能够有效解决现有小型氦液化器对制冷机冷量利用不充分、装置复杂、体积大、成本高等问题，并且可灵活地与各类液氦低温杜瓦直接耦合使用，解决了中小型实验室使用液氦难、液氦损耗大等痛点问题。

Description

一种外挂式的小型氦液化器

技术领域

本发明属于制冷与低温设备相关技术领域，更具体地，涉及一种外挂式的小型氦液化器。

背景技术

液氦是超导领域与低温物理领域极为重要的制冷介质，而氦元素在地球上含量十分稀少，仅少量存于天然气中，并不可再生，使得氦成为一种重要的战略资源，我国更是依赖于进口。近些年氦气价格也逐年上升，导致液氦使用成本十分高昂。完整的氦液化回收装置成本十分高昂，包括氦气的液化器、纯化器、回收气囊、氦气压缩机以及一系列复杂的设备和管道系统，也需要专门培训相关技术人员，且液氦在分装运输与使用的过程中不可避免地造成氦气的损耗。广泛存在的中小型实验室通常缺乏对氦资源的重复回收利用，容易造成氦资源的进一步浪费。

专利检索发现，针对该种问题，专利CN1037762370A提出一种多台制冷机预冷的带内纯化冗余的氦液化装置，采用多台小型低温制冷机作为冷源，通过多级预冷实现了氦气和液氦的自循环，主要针对中小型低温系统。

然而，进一步的研究表明，上述现有设备仍具备以下的缺陷或不足：首先，该套氦液化装置结构仍较为复杂，其采用一级冷头和二级冷头换热器对氦气进行预冷，但在运行过程中无法确保氦气与换热器充分换热，可能会造成制冷机高品位冷量的消耗；其次，由于其换热器和冷凝器的设计，该套装置最少需要两台制冷机，针对小型低温系统而言有所冗余。此外，该套装置无法与液氦消耗装置进行直接耦合使用，需额外配置液氦输液管传输液氦，体积偏大不够灵活且造价较高，同时该套装置的输液杜瓦管不可拆卸，装配较为困难。

应地，本领域亟需对此作出进一步的改进，以便更好地满足高性能和小型化的氦液化设备设计需要，同时解决中小型实验室使用液氦难、液氦损耗大的痛点问题。

发明内容

针对现有技术的以上缺陷或需求，本发明的目的在于提供一种外挂式的小型氦液化器，其中通过对整个装置的构造组成及空间布局重新进行设计，同时围绕一些关键模块的具体结构和设置方式进行针对性改进，相应能够有效解决现有小型氦液化器对制冷机冷量利用不充分、装置复杂、体积大、成本高等问题，并且可灵活地与各类液氦低温杜瓦直接偶合使用，无需额外配置液氦输液管及液氦存储罐，解决中小型实验室使用液氦难、液氦损耗大等痛点问题。

为实现上述目的，按照本发明，提供了一种用于外挂式的小型氦液化器，特征在于，该小型氦液化器包括制冷单元、氦气进气管、上颈管、中间法兰、屏蔽罩、下颈管、冷凝器和输液管，其中：

所述氦气进气管与所述上颈管可控密封连接，并用于导入原料氦气；

所述制冷单元配置有一级冷头和二级冷头，所导入的原料氦气首先接触所述一级冷头进行对流换热，冷却至一定温度后再通过所述一级冷头与所述中间法兰之间的缝隙进入所述下颈管，接触所述二级冷头进行对流换热冷却至液化温度，并在所述冷凝器的表面形成液膜进入所述输液管；

所述屏蔽罩用于将所述二级冷头整体包裹其中，同时在该屏蔽罩的外侧布置有真空罩，由此将所述一级冷头整体包裹其中；

所述输液管与所述冷凝器之间可拆卸地进行安装，并具备柔性管用于与各类液氦低温杜瓦直接耦合连接。

作为进一步优选地，所述制冷单元优选采用最低温度可达到液氦温度的G-M制冷机、脉管制冷机或其他小型低温制冷机。

作为进一步优选地，所述中间法兰、屏蔽罩)和冷凝器优选采用无氧铜的材质制作而成。

作为进一步优选地，所述真空罩优选采用不锈钢的材质制作而成。

作为进一步优选地，所述氦气优选采用其纯度不小于99.999％且可在低温杜瓦内挥发至室温的氦气。

作为进一步优选地，对于所述输液管而言，其包括储液仓，上输液管、真空管、支撑片和下输液管，其中：

该储液仓呈漏斗状，用于收集来自所述冷凝器的液氦；

该上输液管与所述储液仓的底部连接，并呈倾斜方式向下延伸，然后继续连接至所述下输液管；

该真空管设置在所述上输液管的外部，用于在室温环境下与该上输液管之间形成真空夹层；所述支撑片安装在所述真空管与所述上输液管之间，起到避免抽真空时内外管相互接触的问题；

该下输液管用于插入低温杜瓦的液氦腔内。

作为进一步优选地，所述输液管优选还包括VCR接头、波纹管、螺杆、底部法兰，其中：

该VCR接头用于连接所述上输液管与所述下输液管；该波纹管配合所述螺杆、底部法兰对所述下输液管进行限位，并用于避免抽真空后的管道扭曲变形及内外管相互接触。

作为进一步优选地，上述小型氦液化器的各个组件均采用模块化结构设计和制造。

总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，主要具备以下技术优点：

(1)本发明通过对整个小型氦液化器的构造组成及空间布局重新进行设计，能够在仅配置单台制冷单元的情况下，依靠它的一级冷头和二级冷头与氦气充分进行对流换热，与现有设备相比显著提高了预冷效果，提高了装置的液化能力；此外，还结合屏蔽罩和真空罩的设置及配合作用，能够进一步减小系统漏热；

(2)本发明还进一步通过对多个关键组件如可拆卸式输液管的具体结构和设置方式进行针对性改进，相应能够更好地提高出液效率，同时便于更灵活地与各类液氦低温杜瓦直接偶合使用，无需额外配置液氦输液管及液氦存储罐；

(3)本发明还进一步通过对上输液管、下输液管之间的连接单元及配套元件进行针对性改进，相应既能有效进行限位，便于安装，同时有效避免了抽真空后内外管可能发生的接触问题，进一步有效满足了可拆卸输液管的密封设计及可靠性要求；

(4)按照本发明的外挂式小型氦液化器整体结构紧凑、便于安装和维护，同时显著提高了液化性能和使用便利度，减小了液氦损耗，因而尤其适用于中小型实验室的液氦使用场合。

附图说明

图1是按照本发明的外挂式小型氦液化器的整体结构剖视图；

图2是按照本发明的外挂式小型氦液化器的整体结构主视图；

图3是按照本发明的外挂式小型氦液化器的整体结构俯视图；

图4是按照本发明的一个优选实施、用于具体显示可拆卸输液管的结构剖视图；

在所有附图中，相同的附图标记用来表示相同的元件或结构，其中：

1-制冷单元，2-氦气进气管，3-上颈管，4-中间法兰，5-屏蔽罩，6-下颈管，7-冷凝器，8-输液管，81-储液仓，82-上输液管，83-真空管，84-支撑片，85-VCR接头，86-波纹管，87-螺杆，88-底部法兰，89-下输液管。

具体实施方式

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做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。

图1是按照本发明的外挂式小型氦液化器的整体结构剖视图，其可通过图3中的A-A连线来获得。该小型氦液化器主要包括制冷单元1、氦气进气管2、上颈管3、中间法兰4、屏蔽罩5、下颈管6、冷凝器7和输液管8等组件，下面将逐一进行具体解释说明。

如图1中所示，氦气进气管2与上颈管3可控密封连接，并用于导入原料氦气；制冷单元1配置有一级冷头和二级冷头(以及相应的一级气缸、二级气缸)，所导入的原料氦气首先接触所述一级冷头进行对流换热，冷却至一定温度后再通过所述一级冷头与中间法兰4之间的缝隙进入下颈管6，接触二级冷头进行对流换热冷却至液化温度，并在冷凝器7的表面形成液膜进入输液管8。

更具体地，如图2和图3所示，所述氦气进气管2用于原料氦气导入，所述原料氦气譬如为低温杜瓦内挥发至室温或者通过其他途径提供的纯度不小于99.999％的氦气；所述上颈管3和所述下颈管6位于屏蔽罩5内，所述氦气进气管2与上颈管3连接；进入上颈管3的原料氦气首先通过与制冷机1的一级气缸、一级冷头进行直接对流换热，冷却至50K左右，再通过所述制冷机1经由一级冷头与中间法兰4之间的缝隙进入下颈管6，由所述制冷机1的二级气缸、二级冷头冷却至液化温度，最终氦气在所述冷凝器7的垂直表面形成液膜，进入所述可拆卸输液管8。

所述屏蔽罩5位于真空罩2的内侧；为了有效减小漏热，制冷机的一级冷头位于所述真空罩2内，制冷机的二级冷头位于所述屏蔽罩5内。此外，作为本发明的关键改进之一，输液管8与冷凝器7之间可拆卸地进行安装，并具备柔性管用于与各类液氦低温杜瓦直接耦合连接。

如图4所示，显示了按照本发明的一个优选实施的可拆卸输液管的结构剖视图。对于该输液管8而言，其包括储液仓81，上输液管82、真空管83、支撑片84、VCR接头85、波纹管86、螺杆87、底部法兰88和下输液管89等，其中该储液仓81呈漏斗状，用于收集来自所述冷凝器7的液氦；该上输液管82与所述储液仓81的底部连接，并呈倾斜方式向下延伸，然后继续连接至所述下输液管89；该真空管83设置在所述上输液管82的外部，用于在室温环境下与该上输液管82之间形成真空夹层；所述支撑片84安装在所述真空管83与所述上输液管82之间，起到避免抽真空时内外管相互接触的问题；该下输液管89用于插入低温杜瓦的液氦腔内。此外，该VCR接头用于连接所述上输液管82与所述下输液管89；该波纹管86配合所述螺杆87、底部法兰88对所述下输液管89进行限位，并用于避免抽真空后的管道扭曲变形及内外管相互接触。

更具体而言，所述储液仓81为漏斗形状，便于收集冷凝的液氦；所述储液仓81底部与上输液管2连接，冷凝后的液氦经储液仓81流入上输液管82；所述真空管83与上输液管82形成真空夹层，真空管83位于室温环境中，真空夹层可以减小系统漏热；所述支撑片84譬如为环氧支撑片，其位于上输液管82与真空管83中间，起到避免抽真空时内外管相互接触的问题；所述VCR接头85连接上输液管82和下输液管89，通过波纹管86配合螺杆87限位，更易于安装，并且抽真空后不会扭曲变形导致内外管接触；此外，所述下输液管9插入低温杜瓦的液氦腔内。

综上，按照本发明的外挂式小型氦液化器与现有设备相比显著提高了预冷效果，提高了装置的液化能力；能够更好地提高出液效率，同时便于更灵活地与各类液氦低温杜瓦直接偶合使用，无需额外配置液氦输液管及液氦存储罐；此外挂式小型氦液化器整体结构紧凑、便于安装和维护，减小了液氦损耗，因而尤其适用于中小型实验室的液氦使用场合。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种用于外挂式的小型氦液化器，特征在于，该小型氦液化器包括制冷单元(1)、氦气进气管(2)、上颈管(3)、中间法兰(4)、屏蔽罩(5)、下颈管(6)、冷凝器(7)和输液管(8)，其中：

所述氦气进气管(2)与所述上颈管(3)可控密封连接，并用于导入原料氦气；

所述制冷单元(1)配置有一级冷头和二级冷头，所导入的原料氦气首先接触所述一级冷头进行对流换热，冷却至一定温度后再通过所述一级冷头与所述中间法兰(4)之间的缝隙进入所述下颈管(6)，接触所述二级冷头进行对流换热冷却至液化温度，并在所述冷凝器(7)的表面形成液膜进入所述输液管(8)；

所述屏蔽罩(5)用于将所述二级冷头整体包裹其中，同时在该屏蔽罩(5)的外侧布置有真空罩，由此将所述一级冷头整体包裹其中；

所述输液管(8)与所述冷凝器(7)之间可拆卸地进行安装，并具备柔性管用于与各类液氦低温杜瓦直接耦合连接。

2.如权利要求1所述的小型氦液化器，特征在于，所述制冷单元(1)采用最低温度可达到液氦温度的G-M制冷机、脉管制冷机或其他小型低温制冷机。

3.如权利要求1或2所述的小型氦液化器，特征在于，所述中间法兰(4)、屏蔽罩(5)和冷凝器(7)采用无氧铜的材质制作而成。

4.如权利要求1或2所述的小型氦液化器，特征在于，所述真空罩采用不锈钢的材质制作而成。

5.如权利要求1或2所述的小型氦液化器，特征在于，所述氦气采用其纯度不小于99.999％且可在低温杜瓦内挥发至室温的氦气。

6.如权利要求1或2所述的小型氦液化器，特征在于，对于所述输液管(8)而言，其包括储液仓(81)，上输液管(82)、真空管(83)、支撑片(84)和下输液管(89)，其中：

该储液仓(81)呈漏斗状，用于收集来自所述冷凝器(7)的液氦；

该上输液管(82)与所述储液仓(81)的底部连接，并呈倾斜方式向下延伸，然后继续连接至所述下输液管(89)；

该真空管(83)设置在所述上输液管(82)的外部，用于在室温环境下与该上输液管(82)之间形成真空夹层；所述支撑片(84)安装在所述真空管(83)与所述上输液管(82)之间，起到避免抽真空时内外管相互接触的问题；

该下输液管(89)用于插入低温杜瓦的液氦腔内。

7.如权利要求6所述的小型氦液化器，特征在于，所述输液管(8)还包括VCR接头(85)、波纹管(86)、螺杆(87)、底部法兰(88)，其中：

该VCR接头(85)用于连接所述上输液管(82)与所述下输液管(89)；该波纹管(86)配合所述螺杆(87)、底部法兰(88)对所述下输液管(89)进行限位，并用于避免抽真空后的管道扭曲变形及内外管相互接触。

8.如权利要求1或2所述的小型氦液化器，特征在于，上述小型氦液化器的各个组件均采用模块化结构设计和制造。