CN1238670C - 无磁低振同轴脉冲管制冷机 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及的无磁低振同轴脉冲管制冷机，脉冲管和蓄冷器同轴放置，之间填有蓄冷填料，脉冲管冷端伸出蓄冷管之外，拱形导流器装在该伸出段及端部，其拱形部分有密集垂向通孔，圆环形外侧壁上均匀地开设有垂向槽；罩盖型冷端热交换器将其罩在其中并密封粘结；冷端换热器之上方设有由垂直固定于热端法兰上的支撑杆支撑的水平分离冷平台，冷平台与冷端换热器间连有柔性导热带；节流小孔下方的连接管道上连通调相毛细管；与屏蔽后的压缩机相连通的柔性连接软管穿过热端法兰上的通气孔与热端导流器相通，调相毛细管另一端与通气孔相通；其所有部件由磁化率很低的非金属材料制作，具有振动小，电磁干扰小、冷端热漏小、重量轻、结构紧凑等优点。
Description
发明领域
本发明属于制冷与低温技术领域，特别涉及一种无磁低振同轴脉冲管制冷机。
背景技术
基于超导量子干涉仪(SQUID)的超导器件的广泛应用依赖于低温系统的发展，在很多场合如宇宙空间或水下潜艇，正是由于缺乏合适的低温系统才限制了SQUID器件的使用。使用机械制冷方法而不是将SQUID直接浸泡在盛有低温液体的杜瓦中，近三十年来一直是低温领域的一个挑战。基于超导量子干涉仪的超导器件，对环境的要求十分苛刻，例如超导地磁仪中SQUID的灵敏度大约是地磁场的10-10，一般的商用低温制冷机不采用特殊的附加装置根本无法与之配合工作，因为常规的低温制冷机的振动和电磁噪声会大大超过SQUID的信号输出范围，从而使SQUID的输出变得毫无意义。
1976年美国国家标准技术研究局(NISA)的J.E.Zimmerman报道了他们创制的一种斯特林型低功率塑料制冷机，其特点是小功率、低转速，采用非金属材料作排出器构件，具有缝隙式回热，取用低压力的工质，为尝试以机械制冷方法冷却高灵敏的超导器件奠定了基础。中国专利85200119“一种高效的无磁制冷机”公开了一种具有J-T级的斯特林型塑料制冷机的制作方法；中国专利85203092“无磁制冷机排出器”公开了采用夹有铝箔的玻璃钢排出器的选材及制作。上述两个专利及其后发展起来的低功率塑料制冷机已经用于冷却SQUID器件，但由于斯特林型制冷机冷头排出器等机械运动部件的存在，它们带来的振动及电磁干扰信号很难消除。
脉冲管制冷机的冷端完全取消了机械运动部件，这使得它具有机械振动小和电磁干扰小的天然优势，因而九十年代中期以来人们提出了种种利用脉冲管制冷机冷却SQUID器件的设想并付诸实践。但现有的脉冲管制冷机仍然存在两大缺陷：一、对斯特林型制冷机而言，它的振动已大大减小，但系统本身特别是耦合SQUID器件的冷头依旧存在明显的残余振动，这一振动所带来的干扰仍然远远超出了SQUID器件的测量精度，甚至使得SQUID器件的测量变得毫无意义；二、制冷机各部件都采用带有很大剩磁的材料或金属材料制作，制冷机中的磁性部件在工作环境中所直接附加的磁干扰信号，以及制冷机中的金属部件在工作环境运动产生的感应涡流严重地干扰SQUID器件的操作。因而直接利用普通脉冲管制冷机冷却SQUID器件仍有很大困难。
中国专利号为89217187的实用新型专利公开了一种“带小孔和气库的同轴脉冲管制冷机”，其特点是脉冲管与蓄冷器同轴放置，带节流小孔和气库，脉冲管和节流小孔及气库结合在一起，脉冲管与蓄冷器之间设低导热材料制作的绝热层或真空层，蓄冷器入口设配气装置。以这种典型的同轴脉冲管制冷机为例，由于冷头没有采取任何措施，在典型充气压力1.8Mpa，典型操作频率50Hz的情况下，可以探测到冷头随着脉冲管的伸缩而在Z轴有一个10～20μm的弹性伸缩量，这样，在当地地磁场强度沿Z轴的变化率为250nT/m的情况下，这一伸缩量所带来的磁场变化大约为2.5～5.0pT，这一磁场变化对SQUID的影响是巨大的；它的主要部件都采用带有很大剩磁的材料或金属材料制作的，如脉冲管和蓄冷器管壁由薄壁不锈钢管或钛合金管制作，蓄冷器填料是由细金属丝网，小金属球或颗粒组成，热端法兰和真空罩由不锈钢制作，各导流器采用不锈钢或铜制作，冷热端换热器由纯铜加工而成，由材料所附加的磁干扰信号及产生的感应涡流也远远超出了SQUID器件所能容忍的上限；它的制冷机各部件之间的连接采用螺纹及焊接的方式，焊接所带来较大的磁性杂质也影响到了SQUID的测量；其压缩机与制冷机本体之间采用刚性连接，刚性连接将压缩机本身的振动直接传导到制冷机，这种振动干扰有时严重到使得SQUID器件的操作无法进行；它在脉冲管冷端不设导流器，或仅采用密集打孔的平板，不能保证气流在180度折转范围内的平稳和均匀，从而诱发冷端换热器的振动，并影响制冷效率。鉴于以上这些缺点，以此种类型脉冲管制冷机为代表的现有同轴脉冲管制冷机不能直接服务于SQUID器件的操作。
发明内容
本发明的目的在于，以在冷端换热器上方额外建立分离冷平台的振动补偿方法消除现有脉冲管制冷机中系统特别是冷端换热器振动对SQUID器件产生的严重干扰；以采用一系列无磁非金属电绝缘的材料完全替代制冷机中的磁性或金属材料的方法克服常规脉冲管制冷机中磁性或金属材料对高灵敏度的SQUID器件的电磁干扰；使用低温胶粘剂实现制冷机各部件之间的连接，以消除焊接所带来的磁性杂质；以柔性连接取代压缩机与制冷机本体之间的刚性连接，缓解或消除压缩机的振动干扰；在脉冲管冷端和冷端换热器之间设置拱形导流器，以实现气流在180度折转范围内的平稳均匀，减小对冷端换热器的振动影响。有效克服振动与电磁干扰这两大将脉冲管制冷机应用到微弱磁场测量上的两大障碍，从而提供一种低振动无磁同轴脉冲管制冷机，以实现同轴脉冲管制冷机的低振动、低电磁干扰化甚至无电磁干扰化，并最终实现利用脉冲管制冷机有效冷却包括高温超导量子干涉仪(HTc-SQUIDs)在内的对电磁干扰要求极严格的高温超导器件。
本发明的技术方案如下：
本发明提供的无磁同轴脉冲管制冷机，在真空室中，脉冲管3和蓄冷器4同轴放置，之间填有蓄冷填料12，脉冲管3冷端装有脉冲管冷端导流器1，蓄冷器冷端装有蓄冷器冷端导流器13，制冷机冷端装有冷端热交换器2，脉冲管热端装有热端导流器9和热交换器，热交换器和气库7之间的管道上设有节流小孔6，压缩机17与脉冲管热端导流器9相连通，其特征在于，脉冲管3冷端及其管外的蓄冷填料伸出蓄冷管冷端之外，所述脉冲管冷端导流器1为拱形导流器，安装在脉冲管3冷端的伸出段及端部，该拱形脉冲管冷端导流器1的拱形部分设有密集垂向通孔，拱形脉冲管冷端导流器1的圆环形外侧壁上均匀地开设有垂向槽；
一由高导热材料制作的罩盖型冷端热交换器2将所述冷端导流器1及蓄冷器4冷端罩在其中，罩盖型冷端热交换器2的边缘与所述蓄冷器4冷端外壁边缘使用低温胶粘剂密封粘结；
在冷端换热器2之上方设有由垂直固定于热端法兰5上的支撑杆14支撑的水平分离冷平台16，水平分离冷平台16与冷端换热器2之间连接有柔性导热带15，该柔性导热带15的长度大于水平分离冷平台16与冷端换热器2之间的垂直距离；
一其内插装有脉冲管热端导流器9和蓄冷器热端导流器10的作热端交换器用的热端法兰5与真空罩11的法兰密封连接；节流小孔6下方的连接管道上连通一调相毛细管8；一与屏蔽后的压缩机17相连通的柔性连接软管19穿过热端法兰5上的通气孔191与所述蓄冷器热端导流器10相连通，调相毛细管8的另一端与通气孔191相连通；
所述蓄冷器4管壁采用低磁化率、低导热率、极低空隙率的可加工陶瓷制作；所述脉冲管3管壁采用低导热率的尼龙1010塑料制作；所述蓄冷填料12由紧密压摞的多层环形尼龙66丝网薄片组成，同轴填充在所述蓄冷器壁和所述脉冲管壁之间，环形尼龙66丝网薄片的内径与所述的脉冲管外径等尺寸，环形尼龙66丝网薄片的外径与所述的蓄冷器内径等尺寸；所述热端法兰5和真空罩11均采用磁化率很低的亚克力有机玻璃加工而成；所述冷端换热器2和所述水平分离冷平台16采用低磁化率、高热导率的氮化硼陶瓷制作；所述冷端换热器2的边缘与所述蓄冷器4的冷端外壁边缘采用DW-3低温胶粘结密封；所述脉冲管3及所述蓄冷器4的热端外壁边缘采用DW-3低温胶与所述热端法兰5粘结密封。
本发明的特点是在冷端换热器之上设置水平分离冷平台16，使用时将SQUID器件置于水平分离冷平台之上，从而将SQUID器件与有较大振动的冷头从物理上分离开来，该水平分离冷平台固定在稳定的热端法兰之上，并由松弛放置的柔性导热带在冷端换热器和分离冷平台之间传递热量，从而在确保SQUID器件所需热量的同时消除冷头振动对SQUID器件产生的干扰；在脉冲管冷端伸出部位与冷端换热器之间设置拱形导流器，实现气流在180度折转范围内的平稳均匀，减小气流诱发的冷端换热器振动；采用低温胶粘剂替代螺纹和焊接密封，消除了焊接所带来磁性杂质的电磁干扰影响；以柔性连接替代压缩机与制冷机本体之间的刚性连接，减弱甚至消除了压缩机的振动干扰；以磁化率很低的非金属材料完全替代常规脉冲管制冷机中的磁性及金属部件，消除了材料附加的电磁信号及感应涡流；这样就有效地克服了振动与电磁干扰这两大将脉冲管制冷机应用到微弱磁场测量的两大障碍，具有振动小，电磁干扰小、冷端热漏小、重量轻、结构紧凑等优点，非常适合于冷却高温超导量子干涉仪(HTc-SQUIDs)等对电磁干扰要求极严格的高温超导器件。
附图说明
图1为本发明装置中无磁低振同轴脉冲管制冷机的结构示意图；
图2为拱形脉冲管冷端导流器1的结构示意图；
图3为图2的俯视图；
其中：拱形脉冲管冷端导流器1 罩盖型冷端热交换器2
脉冲管3 蓄冷器热端导流器10
蓄冷器冷端导流器13 水平分离冷平台16
蓄冷器4 热端法兰5 节流小孔6
气库7 调相毛细管8 热端导流器9
真空罩11 蓄冷填料12 通气孔191
支撑杆14 柔性导热带15 柔性连接软管19
分离冷平台16 压缩机17 屏蔽金属板18
垂向通孔111 垂向槽112
具体实施方式
下面结合附图及实施实例进一步描述本发明：
图1所示为本发明无磁低振同轴脉冲管制冷机的结构示意图，由图可知，本发明的无磁低振同轴脉冲管制冷机，在真空室中，脉冲管3和蓄冷器4同轴放置，之间填有蓄冷填料12，脉冲管3冷端装有脉冲管冷端导流器1，蓄冷器冷端装有蓄冷器冷端导流器13，制冷机冷端装有冷端热交换器2，脉冲管热端装有热端导流器9和热交换器，热交换器和气库7之间的管道上设有节流小孔6，压缩机17与脉冲管热端导流器9相连通，其特征在于，脉冲管3冷端及其管外的蓄冷填料伸出蓄冷器的蓄冷管冷端之外，由图2和图3可知，所述脉冲管冷端导流器1为拱形导流器，安装在脉冲管3冷端伸出段及端部，该拱形脉冲管冷端导流器1的拱形部分设有密集垂向通孔111，拱形脉冲管冷端导流器1的圆环形外侧壁上均匀地开设有垂向槽112；
一由高导热材料制作的罩盖型冷端热交换器2将所述冷端导流器1及蓄冷器4冷端罩在其中，罩盖型冷端热交换器2的边缘与所述蓄冷器4冷端外壁边缘使用低温胶粘剂密封粘结；
在冷端换热器2之上方设有由三根垂直固定于热端法兰5上的支撑杆14支撑的水平分离冷平台16，水平分离冷平台16与冷端换热器2之间连接有柔性导热带15，该柔性导热带15的长度大于水平分离冷平台16与冷端换热器2之间的垂直距离；该柔性导热带15将冷端换热器2的热量传导到所述水平分离冷平台16上，同时不把振动传递过去；
一其内插装脉冲管热端导流器9和蓄冷器热端导流器10的作热端交换器用的热端法兰5与真空罩11的法兰密封连接；节流小孔6下方的连接管道上连通一调相毛细管8；一与屏蔽后的压缩机17相连通的柔性连接软管19穿过热端法兰5上的通气孔191与所述蓄冷器热端导流器10相连通，调相毛细管8的另一端与通气孔191相连通；
所述蓄冷器4管壁采用低磁化率、低导热率、极低空隙率的可加工陶瓷制作；所述脉冲管3管壁采用低导热率的尼龙1010塑料制作；所述蓄冷填料12由紧密压摞的多层环形尼龙66丝网薄片组成，同轴填充在所述蓄冷器壁和所述脉冲管壁之间，环形尼龙66丝网薄片的内径与所述的脉冲管外径等尺寸，环形尼龙66丝网薄片的外径与所述的蓄冷器内径等尺寸；所述热端法兰5和真空罩11均采用磁化率很低的亚克力有机玻璃加工而成；所述冷端换热器2和所述水平分离冷平台16采用低磁化率、高热导率的氮化硼陶瓷制作；所述冷端换热器2的边缘与所述蓄冷器2的冷端外壁边缘采用DW-3低温胶粘结密封；所述脉冲管3及所述蓄冷器4的热端外壁边缘采用DW-3低温胶与所述热端法兰5粘结密封。
所述脉冲管热端导流器9和气库7之间节流小孔6下方的连接管道上连通一调相毛细管8，经过金属板18屏蔽的压缩机17通过长为2-4米的聚酰亚胺塑料软管19连接到所述热端法兰5上并与所述导流器10相连通，所述调相毛细管8上端口与所述连接软管17相连通；
所述蓄冷器4管壁采用低磁化率、低导热率、极低空隙率的可加工陶瓷制作；所述脉冲管3管壁采用低导热率的尼龙1010塑料制作；
所述脉冲管制冷机的蓄冷器填料由紧密压制的多层环形尼龙66丝网薄片组成，同轴填充在所述蓄冷器壁和所述脉冲管壁之间。环形尼龙66丝网薄片的内径与所述的脉冲管外径等尺寸，环形尼龙66丝网薄片的外径与所述的蓄冷器内径等尺寸。
Claims (5)
1、一种无磁低振同轴脉冲管制冷机，在真空室中，脉冲管(3)和蓄冷器(4)同轴放置，之间填有蓄冷填料(12)，脉冲管(3)冷端装有脉冲管冷端导流器(1)，蓄冷器冷端装有蓄冷器冷端导流器(13)，制冷机冷端装有冷端热交换器(2)，脉冲管热端装有热端导流器(9)和热交换器，热交换器和气库(7)之间的管道上设有节流小孔(6)，压缩机(17)与脉冲管热端导流器(9)相连通，其特征在于，脉冲管(3)冷端及其管外的蓄冷填料伸出蓄冷管冷端之外，所述脉冲管冷端导流器(1)为拱形导流器，安装在脉冲管(3)冷端的伸出段及端部，该拱形脉冲管冷端导流器(1)的拱形部分设有密集垂向通孔，拱形脉冲管冷端导流器(1)的圆环形外侧壁上均匀地开设有垂向槽；
一由高导热材料制作的罩盖型冷端热交换器(2)将所述冷端导流器(1)及蓄冷器(4)冷端罩在其中，罩盖型冷端热交换器(2)的边缘与所述蓄冷器(4)冷端外壁边缘使用低温胶粘剂密封粘结；
在冷端换热器(2)之上方设有由垂直固定于热端法兰(5)上的支撑杆(14)支撑的水平分离冷平台(16)，水平分离冷平台(16)与冷端换热器(2)之间连接有柔性导热带(15)，该柔性导热带(15)的长度大于水平分离冷平台(16)与冷端换热器(2)之间的垂直距离；
一其内插装有脉冲管热端导流器(9)和蓄冷器热端导流器(10)的作热端交换器用的热端法兰(5)与真空罩(11)的法兰密封连接；节流小孔(6)下方的连接管道上连通一调相毛细管(8)；一与屏蔽后的压缩机(17)相连通的柔性连接软管(19)穿过热端法兰(5)上的通气孔(191)与所述蓄冷器热端导流器(10)相连通，调相毛细管(8)的另一端与通气孔(191)相连通。
2、按权利要求1所述的无磁低振同轴脉冲管制冷机，其特征在于，所述蓄冷器(4)管壁采用低磁化率、低导热率、极低空隙率的可加工陶瓷制作；所述脉冲管(3)管壁采用低导热率的尼龙1010塑料制作。
3、按权利要求1所述的无磁低振同轴脉冲管制冷机，其特征在于，所述蓄冷填料(12)由紧密压摞的多层环形尼龙66丝网薄片组成，同轴填充在所述蓄冷器壁和所述脉冲管壁之间，环形尼龙66丝网薄片的内径与所述的脉冲管外径等尺寸，环形尼龙66丝网薄片的外径与所述的蓄冷器内径等尺寸。
4、按权利要求1所述的无磁低振同轴脉冲管制冷机，其特征在于，所述热端法兰(5)和真空罩(11)均采用磁化率很低的亚克力有机玻璃加工而成；所述冷端换热器(2)和所述水平分离冷平台(16)采用低磁化率、高热导率的氮化硼陶瓷制作。
5、按权利要求1所述的无磁低振同轴脉冲管制冷机，其特征在于，所述冷端换热器(2)的边缘与所述蓄冷器(4)的冷端外壁边缘采用DW-3低温胶粘结密封；所述脉冲管(3)及所述蓄冷器(4)的热端外壁边缘采用DW-3低温胶与所述热端法兰(5)粘结密封。
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