CN117168954A - 一种双波纹管低漏热的杜瓦及快速换样测量装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种双波纹管低漏热的杜瓦及快速换样测试装置，包括真空腔体、制冷系统和样品腔，真空腔体包括第一顶盖、第一法兰、第二法兰、第一筒体和第一尾管，第一和第二法兰位于第一顶盖中心线两侧；制冷系统包括制冷机、第二顶盖、第二筒体、第二尾管和二级冷头导热板，制冷机的二级冷头与二级冷头导热板固定连接；样品腔包括第一波纹管、第二波纹管和第三尾管，第一波纹管一端固定于第一法兰，另一端固定于第二顶盖，第二波纹管一端固定于第二顶盖，另一端和第三尾管分别固定于二级冷头导冷板上下两侧，且第一、第二波纹管和第三尾管共轴；第一、第二和第三尾管由外向内共轴套装。本发明优点：大幅度降低了漏热，结构紧凑稳定，同时降低成本。

Description

一种双波纹管低漏热的杜瓦及快速换样测量装置

技术领域

本发明属于低温设备和测量技术领域，具体来说是一种双波纹管低漏热的杜瓦及快速换样测量装置。

背景技术

液氦浸泡冷却具有稳定性好、震动低、制冷功率大等优点。然氦气为不可再生资源，且随着氦气列为战略物质并被限制开采，液氦价格急剧增长，液氦使用成本高昂。此外，液氦的使用一般需要配备完整且昂贵的回收、纯化、液化系统，需要专职技术人员维护，且回收管道的存在进一步限制其使用范围。

使用液氦的诸多限制，促使了以搭载小型制冷机为冷源的低温杜瓦的发展，并在近年来得到了广泛采用。然而，小型制冷机在液氦温区的制冷功率较低，难以兼容热负载较大的大口径样品腔设计。例如，公开号为CN116146885A中大口径样品腔的降温依赖液氦浸泡，液氦损耗较大。搭载大功率制冷机或多个小型制冷机可解决大口径样品腔降温问题，但系统体积、成本和复杂度会大大增加。

采用波纹管作为室温区和低温区的导热通道，可在增加固体传热行程的同时，降低传热面积，大幅度降低样品腔漏热。例如公开号为CN116007792A提出的一种磁场环境下超流氦温区低温温度标定系统，所述系统包括低温杜瓦，低温恒温系统、样品腔、超导磁体系统及低温测量控制设备。所述低温杜瓦由外层的真空腔组件，位于真空腔内的防辐射冷屏组件组成，其中，真空腔由顶盖和筒体，以及提供负压的真空机组组成，冷屏吊装在筒体内；所述样品腔由腔体，样品杆组成，其中样品腔安装在顶盖中心，向下延伸至真空腔中心，底部设有加热器，样品杆安插在样品腔内，底部设有样品架；所述低温恒温系统由两台GM制冷机组成，分别安装在样品腔两侧，主体部分延伸至真空腔内；所述超导磁体系统吊装在样品架周围。该结构采用两个制冷机，结构复杂，同时，其波纹管无支撑结构，样品腔中真空度的变化会导致样品腔在垂直方向上大幅度的伸缩运动和横向上的摆动，存在安全性隐患，同时造成杜瓦装置和样品腔中测试装置的损坏。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于如何解决现有技术中快速换样测量装置结构不稳定和成本高的问题上。

本发明通过以下技术手段实现解决上述技术问题的：

一种双波纹管低漏热的杜瓦，包括真空腔体、制冷系统和样品腔，

所述真空腔体包括第一顶盖、第一法兰、第二法兰、第一筒体和第一尾管；所述第一顶盖、第一筒体和第一尾管依次固定形成所述真空腔；所述第一法兰、第二法兰封堵所述第一顶盖开设的两个入口；

所述制冷系统包括制冷机、第二顶盖、第二筒体、第二尾管和二级冷头导冷板，所述制冷机主体置于所述第一筒体内，制冷机的一级冷头固定于第二顶盖，制冷机的二级冷头与所述二级冷头导冷板固定连接；

所述样品腔包括第一波纹管、第二波纹管和第三尾管，所述第一波纹管一端固定于第一法兰，另一端固定于第二顶盖，所述第二波纹管一端固定于第二顶盖，另一端和所述第三尾管分别固定于所述二级冷头导冷板上下两侧，且所述第一波纹管、第二波纹管和第三尾管共轴连通；

所述第一尾管安装于第一筒体底部，所述第二尾管安装于第二筒体底部，所述第一尾管、第二尾管和第三尾管由外向内共轴套装。

本发明采用的双波纹管样品腔，与现有薄壁颈管结构相比，在保证了结构稳定性的同时，大幅度降低了漏热；本发明采用制冷机作为冷源，无需使用液氦，显著降低运行成本。

进一步的，还包括支撑组件，所述支撑组件包括第一支撑和第二支撑，所述第一支撑支撑于第一顶盖和第二顶盖之间，所述第一支撑位于所述第一波纹管和制冷机连线的两侧；第二支撑一端固定于第二顶盖，另一端与所述二级冷头导冷板固定连接，所述第二支撑与第二波纹管共轴。

进一步的，所述第三尾管上缠绕有加热回路，加热回路由加热丝和温度计组成。

进一步的，所述第一顶盖设有电学接口、安全阀和第一真空抽口。

进一步的，所述第一法兰上设有加强筋和第二真空抽口。

进一步的，所述二级冷头导热板、第二尾管和第三尾管底部均设有活性炭包。

进一步的，所述第二尾管底部封头上和第三尾管底部封头上均设有防碰壁支撑。

进一步的，所述防碰撞支撑通过螺栓分别固定在第二尾管、第三尾管底部封头上，所述防碰撞支撑的两侧分别与第二尾管、第一尾管的内壁接触。

本发明还提供一种应用上述双波纹管低漏热杜瓦制成的快速换样测量系统。

进一步的，还包括真空转接、闸板阀和一维中空直线导入器，所述内置架安装在一维中空直线导入器内部，所述真空转接、闸板阀和一维中空直线导入器自下而上共轴安装于所述第一法兰上，所述内置架在所述一维中空直线导入器被压缩后完全伸入所述样品腔内。

本发明的优点在于：

(1)本发明采用的双波纹管样品腔，与现有薄壁颈管结构相比，在保证了结构稳定性的同时，大幅度降低了漏热；本发明采用制冷机作为冷源，无需使用液氦，显著降低运行成本；

(2)通过支撑组件，可保证两个波纹管的稳定性；支撑组件还作为内部结构的重量支撑。内部结构包括：冷屏组件，第二顶盖、第二筒体、第二尾管；二级冷头导冷板、，样品腔的第三尾管。增加系统刚性结构，减少第二尾管和第三尾管的低温位移。

(3)本发明实现了小型制冷机和较大口径范围样品腔的兼容，结构简单紧凑，提升系统可靠性；兼容性具体体现为：

样品腔采用分段式结构设计，包括第一波纹管、第二波纹管和第三尾管共轴连通。第一波纹管上端为室温，下端通过第二顶盖与一级冷头热链接，将温度锚定在50K，对0mm口径样品腔，传导漏热至一级冷头约0.3W。第二波纹管上端通过第二顶盖与一级冷头热链接，将温度锚定在50K，下端通过二级冷头导冷板与二级冷头热链接，对0mm口径样品腔，传导漏热至二级冷头约0.06W。本结构，仅需配备一级冷头热负载约20W，二级冷头热负载约0.5W的小功率制冷机就可满足。若将样品腔采用单一直管设计，在相同口径和长度下，二级冷头漏热在1.5W，需要采用两台1W@4.2K或一台2.0W@4.2K制冷机才能满足降温需求。本结构，通过分段式的样品腔设计，相对于单一直管设计，可实现漏热一个数量的降低，实现小型制冷机和较大口径范围样品腔的兼容。

(4)本发明中的双波纹管低漏热杜瓦及快速换样系统适用于不同极端条件下的较大口径范围的样品测量系统，可实现快速换样。本设计可植入强磁场环境(例如内径为150mm的室温磁体)，实现低温和强磁场极端环境的联合。此外，大口径样品腔的引入使得例如太赫兹激光等其他极端测量条件的引入更加便捷。

附图说明

图1是本发明实施例1种双波纹管低漏热杜瓦的整体结构图；

图2是本发明实施例1种双波纹管低漏热杜瓦的左视图和后视图；

图3是本发明实施例1种双波纹管低漏热杜瓦的俯视图；

图4是本发明实施例1种双波纹管低漏热杜瓦的剖视图；

图5是图4中上部分的放大图；

图6是图4中B处的放大图；

图7是图2中后视图的内部结构图；

图8是本发明实施例2快速换样测量系统的整体结构图。

图中标号：1、第一顶盖；2、第一筒体；3、第一尾管；4、第一法兰；5、第二法兰；6、制冷机；61、一级冷头；62、二级冷头；7、第二顶盖；8、第二筒体；9、第二尾管；10、二级冷头导冷板；11、第一波纹管；12、第二波纹管；13、第三尾管；14、第一支撑；15、第二支撑；16、加热丝；17、电学接口；18、安全阀；19、第一真空抽口；20、加强筋；21、第二真空抽口；22、活性炭包；23、防碰壁支撑；24、真空转接；25、闸板阀；26、一维中空直线导入器；27、内置架。

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，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。

实施例1

如图1、2所示，一种双波纹管低漏热的杜瓦，包括真空腔体、制冷系统和样品腔；所述真空腔体包括第一顶盖1、第一法兰4、第二法兰5、第一筒体2和第一尾管3，所述第一法兰4和第二法兰5位于第一顶盖1中心线两侧；所述制冷系统包括制冷机6、第二顶盖7、第二筒体8、第二尾管9和二级冷头导热板10，所述制冷机6安装于第二法兰4，制冷机主体置于所述第一筒体2内，制冷机的一级冷头61固定于第二顶盖7，制冷机的二级冷头62与所述二级冷头导热板10固定连接；所述样品腔包括第一波纹管11、第二波纹管12和第三尾管13，所述第一波纹管11一端固定于第一法兰4，另一端固定于第二顶盖7，所述第二波纹管12一端固定于第二顶盖7，另一端和所述第三尾管13分别固定于所述二级冷头导冷板10上下两侧，且所述第一波纹管11、第二波纹管12和第三尾管13共轴；所述第一尾管3安装于第一筒体2底部，所述第二尾管9通过法兰安装于第二筒体8底部，所述第一尾管3、第二尾管9和第三尾管13由外向内共轴套装。本实施例采用的双波纹管样品腔，与现有薄壁颈管结构相比，在保证了结构稳定性的同时，大幅度降低了漏热。本实施例中波纹管采用304不锈钢制作，波纹管与其他部件焊接固定，需要高导热部分采用真空钎焊(银基焊料)，焊接密封。

如图7所示，所述支撑组件包括第一支撑14和第二支撑15，所述第一支撑14一端固定于第一顶盖1，另一端固定于第二顶盖7，所述第一支撑14位于所述第一波纹管11和制冷机6连线的两侧；第二支撑15一端固定于第二顶盖7，另一端与所述二级冷头导冷板10通过螺栓固定连接，所述第二支撑15与第二波纹管12共轴。通过支撑组件，可保证两个波纹管的稳定性。本实施例采用的第二支撑15为筒状，筒状强度好，能承受真空腔内真空度变化产生的压力，也便于加工和安装，当然也可以是矩形筒。

如图7所示，第三尾管13上缠绕有加热回路，加热回路由加热丝16和温度计组成，通过热补偿实现样品腔尾管13的连续变温。

如图3所示，第一顶盖1上安装有电学接口17、安全阀18和第一真空抽口19，第一真空抽口19用于对真空腔体抽真空。

如图3所示，第一法兰4上安装有加强筋20和第二真空抽口21，第二真空抽口21用于对第一波纹管11、第二波纹管12和第三尾管13形成的腔体进行抽真空。

如图6所示，二级冷头导冷板10、第二尾管9底部封头和第三尾管13底部封头上均安装有活性炭包22。活性炭包通过螺栓紧压于固定面。炭包在低温下吸附性强，可吸附氢气，氦气等难以被真空泵抽空的气体，提高杜瓦真空度，进一步降低漏热。

如图6所示，第二尾管9底部封头上和第三尾管13底部封头上均安装有防碰壁支撑23。述防碰撞支撑23一般为环形支架，采用玻璃纤维材质，通过螺栓分别固定在第二尾管9、第三尾管13底部封头上，所述防碰撞支撑23的两侧分别与第二尾管9、第一尾管3的内壁接触。

实施例2

本实施例记载应用了实施例1杜瓦的快速换样测量系统，还包括内置架27，所述内置架包括防辐射屏和样品测量装置。还包括真空转接24、闸板阀25和一维中空直线导入器26，所述真空转接24、闸板阀25和一维中空直线导入器26自下而上共轴安装于第一法兰4上。

本实施例使用时，先将闸板阀25关闭，在一维中空直线导入器26中通入氦气，并保持氦气正压，插入样品测量装置，接着将一维中空直线导入器26冲洗3次，打开闸板阀，通过一维中空直线导入器26将样品测量装置导入杜瓦中，即可进行控温测量。取出时，从样品腔真空抽口21通入氦气，保持氦气正压，通过一维中空直线导入器26将样品测量装置提升至脱离杜瓦，然后关闭闸板阀25，对样品腔抽真空；一维中空直线导入器26中通入氦交换气，待样品升至室温，取出测量装置。

本实施例使用时，首先将真空腔和冷屏抽至真空状态，然后打开制冷机，制冷机工作至二级冷头温度到30K左右，关闭真空腔真空抽口，再继续降温，至温度稳定；打开加热回路将样品腔加热到300K，从第二真空抽口通入氦气，保持样品腔的氦气为正压，放入内置架27，将样品腔用氦气冲洗3次后，关闭加热回路；通入交换气，为样品测量装置降温，待温度稳定，进行测试。完成测试后，打开加热回路将样品腔加热到300K，从样品腔真空抽口通入氦气，保持样品腔的氦气为正压，取出内置架。

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 (10)

1.一种双波纹管低漏热的杜瓦，其特征在于，包括真空腔体、制冷系统和样品腔，

所述真空腔体包括第一顶盖(1)、第一法兰(4)、第二法兰(5)、第一筒体(2)和第一尾管(3)；所述第一顶盖(1)、第一筒体(2)和第一尾管(3)依次固定形成所述真空腔；所述第一法兰(4)、第二法兰(5)封堵所述第一顶盖(1)开设的两个入口；

所述制冷系统包括制冷机(6)、第二顶盖(7)、第二筒体(8)、第二尾管(9)和二级冷头导冷板(10)，所述制冷机(6)主体置于所述第一筒体(2)内，制冷机(6)的一级冷头(61)固定于第二顶盖(7)，制冷机(6)的二级冷头(62)与所述二级冷头导冷板(10)固定连接；

所述样品腔包括第一波纹管(11)、第二波纹管(12)和第三尾管(13)，所述第一波纹管(11)一端固定于第一法兰(4)，另一端固定于第二顶盖(7)，所述第二波纹管(12)一端固定于第二顶盖(7)，另一端和所述第三尾管(13)分别固定于所述二级冷头导冷板(10)上下两侧，且所述第一波纹管(11)、第二波纹管(12)和第三尾管(13)共轴连通；

所述第一尾管(3)安装于第一筒体(2)底部，所述第二尾管(9)安装于第二筒体(8)底部，所述第一尾管(3)、第二尾管(9)和第三尾管(13)由外向内共轴套装。

2.根据权利要求1所述的一种双波纹管低漏热的杜瓦，其特征在于，还包括支撑组件，所述支撑组件包括第一支撑(14)和第二支撑(15)，所述第一支撑(14)支撑于第一顶盖(1)和第二顶盖(7)之间，所述第一支撑(14)位于所述第一波纹管(11)和制冷机(6)连线的两侧；第二支撑(15)一端固定于第二顶盖(7)，另一端与所述二级冷头导冷板(10)固定连接，所述第二支撑(15)与第二波纹管(12)共轴。

3.根据权利要求1所述的一种双波纹管低漏热的杜瓦，其特征在于，所述第三尾管(13)上缠绕有加热回路，加热回路由加热丝(16)和温度计组成。

4.根据权利要求1所述的一种双波纹管低漏热的杜瓦，其特征在于，所述第一顶盖(1)设有电学接口(17)、安全阀(18)和第一真空抽口(19)。

5.根据权利要求1所述的一种双波纹管低漏热的杜瓦，其特征在于，所述第一法兰(4)上设有加强筋(20)和第二真空抽口(21)。

6.根据权利要求1所述的一种双波纹管低漏热的杜瓦，其特征在于，所述二级冷头(62)导热板(10)、第二尾管(9)和第三尾管(13)底部均设有活性炭包(22)。

7.根据权利要求1所述的一种双波纹管低漏热的杜瓦，其特征在于，所述第二尾管(9)底部封头上和第三尾管(13)底部封头上均设有防碰壁支撑(23)。

8.根据权利要求7所述的一种双波纹管低漏热的杜瓦，其特征在于，所述防碰撞支撑(23)通过螺栓分别固定在第二尾管(9)、第三尾管(13)底部封头上，所述防碰撞支撑(23)的两侧分别与第二尾管(9)、第一尾管(3)的内壁接触。

9.一种由权利要求1至8任一所述的双波纹管低漏热杜瓦制成的快速换样测量系统。

10.根据权利要求9所述的一种快速换样测量系统，其特征在于，还包括真空转接(24)、闸板阀(25)和一维中空直线导入器(26)，所述内置架(27)安装在一维中空直线导入器(26)内部，所述真空转接(24)、闸板阀(25)和一维中空直线导入器(26)自下而上共轴安装于所述第一法兰(4)上，所述内置架(27)在所述一维中空直线导入器(26)被压缩后完全伸入所述样品腔内。