CN210835752U - 一种内真空的超低温环境试验装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种内真空的超低温环境试验装置，包括真空腔体、制冷装置、样品插杆腔、样品插杆、氦气循环装置、加热器、温度传感器以及温度控制器。该超低温环境试验装置为样品测试提供了温度更低、可精准控温的内真空环境。本实用新型还公开了一种滑动密封装置，其内部设有远离所述样品插杆腔一侧的滑动密封腔和靠近所述样品插杆腔一侧的空气密封腔，所述滑动密封腔设有滑动密封腔抽空口，所述空气密封腔设有空气密封腔抽空口。该滑动密封装置可便捷地更换样品插杆、并防止空气泄漏。

Description

一种内真空的超低温环境试验装置

技术领域

本实用新型属于低温制冷技术领域，具体涉及一种提供超低温环境的试验装置。

背景技术

低温环境试验装置是一种方便实用的实验室低温系统，该装置能提供4K至373K(-269℃至+100℃)的温度环境，可用于新材料、超导、电子器件、凝聚态物理、表面物理等方面的研究、测试和实验。例如，中国专利申请CN107246741A公开了一种低温恒温器，其包括放置有被冷却样品的真空腔体和低温制冷机，所述真空腔体和低温制冷机相互独立地被固定，在低温制冷机与真空腔体之间通过橡胶波纹管连接，所述低温制冷机和真空腔体与橡胶波纹管形成填充有导热介质的密封腔体，所述低温制冷机的制冷头插入到密封腔体中。被测试样品大都通过样品杆安装于低温恒温器内部。

需要说明的是，现有技术中的超低温环境试验装置存在一定的不足，主要有：

1、试验设备工作温度范围较窄，控温精度较低；

2、更换样品杆时，需要停机将系统回温至常温，操作繁琐、耗时长，即使有的设备不需要回至常温，也存在空气泄漏至系统，导致系统堵塞问题.

由于上述不足的存在，现有的低温环境试验装置在用于材料的磁传输性能(如磁强性)、电传输性能(如交流敏感性)、热传输性能(如比热、热导率、接触热阻)的测试方面存在应用的局限性。

实用新型内容

本实用新型针对现有的技术问题作出改进，即实用新型所要解决的技术问题是提供一种温度更低、可精准控温的内真空的超低温环境试验装置。

本实用新型所提供的技术方案为：

一种内真空的超低温环境试验装置，其特征在于，包括：真空腔体，用于形成真空区域，其上设有第一氦注入口；制冷装置，具有伸入所述真空区域的一级冷头和二级冷头；样品插杆腔，安装于所述真空腔体上，包括插入所述真空区域的插入部，所述插入部上设有第二氦注入口，该样品插杆腔还设有氦流出口；样品插杆，用于样品的安装放置，试验时插入所述样品插杆腔内；氦气循环装置，包括相互连接的储存氦罐和无油干泵，还包括位于所述真空区域内的活性炭滤芯、一级换热器、二级换热器、积液腔、低温调节阀、样品腔热交换器，所述一级换热器与所述一级冷头热连接，所述二级换热器与所述二级冷头热连接，在所述无油干泵的驱动下从所述储存氦罐流出的氦依次经所述第一氦注入口、所述活性炭滤芯、所述一级换热器、所述二级换热器、所述积液腔、所述低温调节阀、所述样品腔热交换器、所述第二氦注入口、所述氦流出口后回流至所述储存氦罐；加热器和温度传感器，安装于所述二级冷头、所述样品腔热交换器以及所述样品附近；以及温度控制器，与所述加热器和所述温度传感器通信连接。

进一步，上述内真空的超低温环境试验装置还包括位于所述真空区域于所述二级冷头热连接的冷屏。

进一步，所述样品插杆腔周围安装有超导磁体。

进一步，所述制冷装置为G-M制冷机。

本实用新型进一步要解决的技术问题是提供一种可便捷地更换样品插杆、并防止空气泄漏的超低温环境试验装置，其技术方案为：

所述样品插杆通过密封连接装置安装于所述样品插杆腔上，所述密封连接装置内设有远离所述样品插杆腔一侧的滑动密封腔和靠近所述样品插杆腔一侧的空气密封腔，所述滑动密封腔设有滑动密封腔抽空口，所述空气密封腔设有空气密封腔抽空口。所述滑动密封腔和所述空气密封腔之间设有第二通道，所述滑动密封腔设有联通外部大气的第一通道，所述空气密封腔设有联通所述样品插杆腔的第三通道，试验时所述样品插杆依次经所述第一通道、所述第二通道和所述第三通道插入所述样品插杆腔内。所述第一通道上设有与所述样品插杆外径匹配的第一密封环装置，所述第二通道上设有与所述样品插杆外径匹配的第二密封环装置，所述第三通道上设有隔离阀。

进一步，所述滑动密封腔抽空口上设有滑动密封腔阀门，所述空气密封腔抽空口上设有空气密封腔阀门，所述滑动密封腔阀门和所述空气密封腔阀门之间设有连接通道，该连接通道上设有真空机组抽口，该真空机组抽口和所述空气密封腔阀门之间设有放气阀。

与现有技术相比，本实用新型具有如下效果：

1)在一级换热器、二级换热器后端设置了积液腔和低温调节阀，低温氦经过温调节阀节流膨胀后，可被冷却至1.5K左右并进入样品插杆腔，为样品提供了更低的低温环境。

2)在所述二级冷头、所述样品腔热交换器以及所述样品附近设置了调温装置，便于更为精准的调节温度。

3)样品插杆通过滑动密封装置安装于样品插杆腔，可有效地阻止样品插杆更换时外部空气的进入。

附图说明

图1是本实用新型提供的内真空的超低温环境试验装置的组成和连接框图。

图2是样品插杆和样品放置于样品插杆腔中的4种方式示意图。

图3是本实用新型提供的滑动密封装置的结构示意图。

具体实施方式

以下描述用于揭露本实用新型以使本领域技术人员能够实现本实用新型。以下描述中的优选实施例只作为举例，本领域技术人员可以想到其他显而易见的变型。

如图1至图3所示，本实用新型实施例提供的内真空的超低温环境试验装置包括真空腔体10、制冷装置、氦气循环装置、样品插杆40、滑动密封装置70和样品插杆腔 30。

真空腔体10用于提供内部高真空的绝热环境。真空腔体10表面设有真空安全阀(图中未示出)、超导磁体电流引线接口(图中未示出)、第一氦注入口13、真空抽口(图中未示出)，真空腔体10内形成真空区域19，真空腔体10的底部还设有防滑支撑脚(图中未示出)。

制冷装置为真空腔体10提供低温冷源，优选G-M制冷机或脉冲管制冷机。制冷装置20包括相互连接的压缩机21和冷头组件。冷头组件包括冷头基座221、以及从冷头基座上221伸出的一级冷头222和二级冷头223。冷头基座221安装于真空腔体10上，一级冷头222、二级冷头223伸入真空腔体10内部的真空区域19。压缩机21位于真空腔体 10外。

样品插杆腔30内充有流动的低温氦，用于放置样品插杆40。样品插杆腔30安装于真空腔体10上，其包括插入真空腔体10内真空区域19的插入部31。插入部31的底部设有第二氦注入口31a。样品插杆腔30另设有氦流出口30b。插入部31通过纯铜导冷带32与二级冷头223热连接，以吸取来自于制冷装置20的冷量。样品插杆腔30周围安装有超导磁体33，以提供样品插杆腔30内的磁场环境。

样品插杆40用于样品50的安装放置。测量时，样品插杆40和样品50插入样品插杆腔30内。根据不同样品的测试需求，样品插杆40和样品50放置于样品插杆腔30 的方式较为灵活。如图2中a)、b)、c)、d)所示：方式1：样品插杆及样品均在样品插杆腔30内的流动氦中；方式2：样品插杆在流动氦中，样品在真空区域；方式3：样品插杆和样品在静态氦中，整体放置在流动氦中；方式4：样品插杆和样品在真空区域，整体放置在流动氦中。

低温氦循环装置60包括储存氦罐61、与存氦气罐相连的无油干泵62以及活性炭滤芯63、一级换热器64、二级换热器65、积液腔66、低温调节阀67、样品腔热交换器 68。其中，活性炭滤芯63、一级换热器64、二级换热器65、积液腔66、低温调节阀67、样品腔热交换器68均安装于真空腔体10内部。真空腔体10内安装有与一级冷头222热连接的冷屏70。冷屏70用于对样品插杆腔30的插入部31以及低温氦循环装置60的一级换热器64、二级换热器65、低温调节阀66、样品腔热交换器67进行防护。一级换热器64与冷屏70热连接，二级换热器65与二级冷头223通过纯铜带或纯铜板热连接。

无油干泵62用于提供循环动力，从存储氦罐61流出的气体氦经第一氦注入口13流入真空腔体10后，依次经过：活性炭滤芯63，以过滤吸附掉其他杂质气体(氮气/氧气/二氧化碳等)避免在更低温区被冻住堵塞管道；一级换热器64，并被冷却至40K左右；二级换热器65进一步冷却到4.2K左右；积液腔66，盛放降温冷凝成液体的氦；低温调节阀66，节流膨胀后，被冷却至1.5K左右；样品腔热交换器68，进行充分的热交换。其后，经过第二氦注入口31a注入样品插杆腔30，在样品插杆腔30内与样品插杆40充分热交换后，由氦流出口31b流出后返回存储氦罐61。自此完成一次循环，后续按照此模式无限循环下去。

进一步，为了实现对真空腔体10循环流动的氦的精准控温。二级冷头223、样品腔热交换器67、以及被测量样品50附近均安装有加热器和温度传感器(图中未示出)。加热器和温度传感器连接外部的控制器(图中未示出)，可实现温度的精准控制。采用加热器、温度传感器、控制器进行局部温度控制为现有技术，这里不再详细叙述。

本实用新型进一步提供了可灵活、密封地拆卸样品插杆的技术方案。

如图3所示，样品插杆40通过密封连接装置70安装于样品插杆腔30上，并将样品插杆40端部安装的样品50的样品端伸入样品插杆腔30内部。密封连接装置70内设有紧邻的滑动密封腔71和空气密封腔72。滑动密封腔靠近样品插杆腔一侧，空气密封腔远离样品插杆腔一侧。滑动密封腔71远离隔离阀73一侧设有供样品插杆40穿过的、可联通外部大气环境的第一通道701。滑动密封腔71和空气密封腔72相邻部设有供样品插杆 40穿过的第二通道712。空气密封腔72靠近隔离阀73一侧设有供样品插杆40穿过的、联通样品插杆腔30的第三通道723。第三通道联通空气密封腔72与样品插杆腔30，其该通道上设有隔离阀73。测试时，样品插杆40从外部环境依次经第一通道701、第二通道712、第三通道723插入样品插杆腔30内部。

为确保外部环境与密封连接装置70(具体为滑动密封腔71)之间的有效隔离，在第一通道701上设有与样品插杆40外径匹配的第一密封环装置701a。由于无法做到绝对密封，少量由第一密封环装置和样品插杆40间隙进入的外部空气进入滑动密封腔71内。同样地，为确保滑动密封腔71和空气密封腔72之间的有效隔离，在第二通道712上设有与样品插杆40外径匹配的第二密封环装置712a。此外，滑动密封腔71上另设有滑动密封腔抽空口71a，空气密封腔72上另设有空气密封腔抽空口72a。滑动密封腔抽空口71a 依次经滑动密封腔阀门71b连接真空机组抽口73，空气密封腔抽空口72a经空气密封腔阀门72b连接真空机组抽口74。空气密封腔抽空口72a与空气密封腔阀门72b之间另设有放气阀75。

基于上述结构的滑动密封装置70，如下步骤进行样品插杆40的安装：

1)将外部抽真空机组连接至真空机组抽口74，打开滑动密封腔阀门71a和空气隔离腔阀门72a，并确认放气阀75处于关闭状态；

2)开启真空机组，持续抽真空至少5分钟；

3)关闭空气隔离腔阀门72a，保持滑动密封腔阀门处于开启状态，缓慢往下移动样品插杆4；

4)打开隔离阀73，并继续缓慢往下移动样品插杆40至样品插杆腔30内工作位置；

5)关闭滑动密封腔阀门71a，然后关闭抽真空机组，此时可以将真空机组与真空机组抽口脱离。

上述变温插杆装置拔出样品插杆腔，更换样品插杆、样品时，按照如下步骤进行：

1)将外部抽真空机组连接至真空机组抽口74，开启真空机组，然后打开滑动密封腔阀门71a，此时确认空气隔离腔阀门72a处于关闭状态；

2)缓慢提升样品插杆40，使其底部离开样品插杆腔30，关闭隔离阀73；

3)向空气隔离腔72a充入少许干燥高纯氦气，待样品插杆40恢复至常温；

4)关闭滑动密封腔阀门71a，打开排气阀75，使空气隔离腔72a处于大气状态，自此完成了样品杆从样品腔取出的全部过程。

以上显示和描述了本实用新型的基本原理、主要特征和本实用新型的优点。本行业的技术人员应该了解，本实用新型不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是本实用新型的原理，在不脱离本实用新型精神和范围的前提下本实用新型还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本实用新型的范围内。本实用新型的保护范围由所附的权利要求书及其等同物界定。

Claims (6)

1.一种内真空的超低温环境试验装置，其特征在于，包括：

真空腔体，用于形成真空区域，其上设有第一氦注入口；

制冷装置，具有伸入所述真空区域的一级冷头和二级冷头；

样品插杆腔，安装于所述真空腔体上，包括插入所述真空区域的插入部，所述插入部上设有第二氦注入口，该样品插杆腔还设有氦流出口；

样品插杆，用于样品的安装放置，试验时插入所述样品插杆腔内；

氦气循环装置，包括相互连接的储存氦罐和无油干泵，还包括位于所述真空区域内的活性炭滤芯、一级换热器、二级换热器、积液腔、低温调节阀、样品腔热交换器，所述一级换热器与所述一级冷头热连接，所述二级换热器与所述二级冷头热连接，在所述无油干泵的驱动下从所述储存氦罐流出的氦依次经所述第一氦注入口、所述活性炭滤芯、所述一级换热器、所述二级换热器、所述积液腔、所述低温调节阀、所述样品腔热交换器、所述第二氦注入口、所述氦流出口后回流至所述储存氦罐；

加热器和温度传感器，安装于所述二级冷头、所述样品腔热交换器以及所述样品附近；以及

温度控制器，与所述加热器和所述温度传感器通信连接。

2.根据权利要求1所述的内真空的超低温环境试验装置，其特征在于，还包括位于所述真空区域于所述一级冷头热连接的冷屏。

3.根据权利要求2所述的内真空的超低温环境试验装置，其特征在于，所述样品插杆腔周围安装有超导磁体。

4.根据权利要求3所述的内真空的超低温环境试验装置，其特征在于，所述制冷装置为G-M制冷机。

5.根据权利要求1至4中任一项所述的内真空的超低温环境试验装置，其特征在于，所述样品插杆通过密封连接装置安装于所述样品插杆腔上，所述密封连接装置内设有远离所述样品插杆腔一侧的滑动密封腔和靠近所述样品插杆腔一侧的空气密封腔，所述滑动密封腔设有滑动密封腔抽空口，所述空气密封腔设有空气密封腔抽空口，

所述滑动密封腔和所述空气密封腔之间设有第二通道，所述滑动密封腔设有联通外部大气的第一通道，所述空气密封腔设有联通所述样品插杆腔的第三通道，试验时所述样品插杆依次经所述第一通道、所述第二通道和所述第三通道插入所述样品插杆腔内，

所述第一通道上设有与所述样品插杆外径匹配的第一密封环装置，所述第二通道上设有与所述样品插杆外径匹配的第二密封环装置，所述第三通道上设有隔离阀。

6.根据权利要求5所述的内真空的超低温环境试验装置，其特征在于，所述滑动密封腔抽空口上设有滑动密封腔阀门，所述空气密封腔抽空口上设有空气密封腔阀门，所述滑动密封腔阀门和所述空气密封腔阀门之间设有连接通道，该连接通道上设有真空机组抽口，该真空机组抽口和所述空气密封腔阀门之间设有放气阀。

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