CN213454351U - 一种逆流式闭循环低温冷却系统 - Google Patents

Abstract

一种逆流式闭循环低温冷却系统，包括：制冷机、压缩机、真空罩、冷屏、热交换器装置、气体管路、J‑T阀、气态回冷式管线、气体处理系统以及样品腔；制冷机与压缩机、热交换器装置、气体管路以及气体处理系统相连，真空罩和冷屏装在制冷机冷头外部，气态回冷式管线与制冷机和样品腔相连；本实用新型是一种气态回冷式管线和逆流式热交换器设计，通过利用余冷和节流降温，可以将温度降低到2K以下，同时气态回冷式管线可以任意方向进入样品腔。解决了消耗液氦的问题，保持了样品腔超低振动，可以长期工作，并且系统操作更灵活、方便。

Description

一种逆流式闭循环低温冷却系统

技术领域

本实用新型属于低温装置技术领域，更具体地，涉及一种逆流式闭循环低温冷却系统。

背景技术

目前，低温技术在许多科研领域有着重要的作用。常用获取低温的方法有：1)直接制冷，即通过持续消耗液氦或液氮等对样品腔直接进行降温，该方法对样品腔几乎不产生振动。2)制冷机制冷，即利用制冷机产生的冷量通过热传导的方式对样品腔进行降温，不需要持续消耗液氦。

为了获得更低温度还常利用节流膨胀和逆流预冷作为辅助手段。在绝热条件下，将导冷介质从高压一端途径节流装置流到低压一端的过程称为节流过程。节流过程前后，介质的温度发生变化，这一效应称为“J-T效应”，即焦耳-汤姆逊效应。逆流传热，即温度低的介质与温度高的介质流动方向相反，对高温介质进行预冷，可有效减少金属冷耗量。利用节流膨胀和逆流传热可以尽可能把冷量累积起来，使终端温度尽可能低，降温速度尽可能快。

对于液氦温区的实验，直接制冷的方法，系统需要配置液氦杜瓦，因杜瓦容积有限，需要在保证安全的前提下，不定期灌装液氦，这使得实验不能长期持续进行；随着液氦价格的上涨，直接制冷方式将增大科研资金投入。对于制冷机制冷的方法，虽然不需要消耗液氦，但制冷机工作时将产生振动，对有些振动敏感的实验无法适用。

因此，亟需一种新型的实验装置来解决上述问题。

实用新型内容

为解决现有技术中存在的不足，本实用新型的目的在于，提供一种逆流式闭循环低温冷却系统，气态回冷式管线和逆流式热交换器设计，加以节流降温，可将温度降低到2K以下，同时气态回冷式管线可以任意方向进入样品腔。该系统具有不消耗液氦，保持样品腔超低振动，可长期工作，操作灵活、方便的特点。

本实用新型采用如下的技术方案。

一种逆流式闭循环低温冷却系统，包括：制冷机、压缩机、真空罩、冷屏、多个热交换器、气体管路、J-T阀、气态回冷式管线、气体处理系统和样品腔；所述制冷机包括一级冷头和二级冷头，一级冷头和二级冷头自上而下依次相连接；所述一级冷头上安装有一级冷台；所述二级冷头上安装有二级冷台；所述冷屏设置在真空罩内，固定在制冷机的一级冷台上，制冷机的二级冷头伸入到冷屏中；多个热交换器至少包括：设置在一级冷台上方的第一热交换器、设置在一级冷台上的第二热交换器和设置在二级冷台上的第三热交换器，所述第一热交换器为逆流式热交换器；所述气体管路缠绕于一级冷头和二级冷头的周围；所述制冷机和压缩机通过两根氦气传输管线构成一个闭合循环回路；所述气体处理系统依次连接气体管路、气态回冷式管线和样品腔构成另一个闭合循环回路。

优选地，所述制冷机为4K制冷机。

优选地，所述压缩机为制冷机循环提供200～240PSI的高压氦气。

优选地，所述气体处理系统包括储气罐、循环泵和氦气管线；所述储气罐为不锈钢罐，其上安装有指示气压的压力表；所述循环泵为干泵；所述氦气管线为不锈钢软管。

优选地，第一热交换器包括：由铜块包裹的并排双通道气管，一支为第一热交换器供气管，一支为第一热交换器回气管；第一热交换器回气管中的氦气来自于气态回冷式管线中冷的回路氦气，第一热交换器供气管中的氦气来自于气体处理系统进入制冷机的室温氦气；第一热交换器回气管中的氦气自下而上，第一热交换器供气管中的氦气自上而下，两支管路进行逆流式热交换，对供气管中的室温氦气进行预冷。

优选地，所述气态回冷式管线外部为不锈钢柔性波纹管，内部并排放置两根不锈钢毛细管，一根为气态回冷式管线供气管，一根为气态回冷式管线回气管；所述气态回冷式管线端头为真空腔体式结构，其供气管贯穿整个腔体内部，该腔体侧面开有回气孔；所述气态回冷式管线末端安装可插拔式节流针阀，节流针阀的针体可插入气态回冷式管线供气管内部，使气态回冷式管线供气管内冷媒在节流针阀处发生节流膨胀；所述柔性波纹管和不锈钢毛细管之间为真空夹层；气态回冷式管线供气管先用多层绝热膜进行包裹，与气态回冷式管线回气管并排放置后再用多层绝热膜进行包裹。

优选地，所述气体管路分为独立的两部分，一部分为气体管路供气管，一部分为气体管路回气管；对于气体管路供气管，依次连接第一热交换器供气管和气态回冷式管线供气管，中间部分以盘管形式缠绕于一级冷头和二级冷头之间；对于气体管路回气管，连接气态回冷式管线回气管和第一热交换器回气管。

优选地，所述J-T阀为带有开关旋钮的不锈钢毛细管，安装于气体管路供气管，具体为二级冷头和气体管路供气管之间。

优选地，所述真空罩内真空值优于10^-5mbar。

优选地，所述样品腔为超高真空腔室、显微型样品腔或ARPES样品腔，适用于离子阱装置、探针台装置。

本实用新型的有益效果在于，与现有技术相比，本实用新型提供一种逆流式闭循环低温冷却系统，气态回冷式管线和逆流式热交换器设计，充分利用回路中氦气的余冷对供气管路中的氦气分别起到作为冷屏减少热辐射和进行预冷的作用；利用J-T效应，对低温氦气进行膨胀降温，使其温度进一步降低到2K 以下；气态回冷式管线长度可根据工作距离进行一定程度的改变，且可以从任意方向进入样品腔，整套系统操作便捷，可长期连续工作，有非常好的经济适用性。该系统在不需要额外消耗液氦的同时避免了制冷机产生的振动传递到样品腔，保持了样品腔超低振动特性，适合对振动敏感的STM、AFM、ARPES 等实验，设备匹配度高。

附图说明

图1是本实用新型一种逆流式闭循环低温冷却系统的整体结构图；

图2是本实用新型一种逆流式闭循环低温冷却系统的气态回冷式管线的剖视图；

图中：

1-制冷机；

2-压缩机；

3-一级冷头；

4-一级冷台；

5-真空罩；

6-二级冷头；

7-二级冷台；

8-冷屏；

901-第一热交换器；

902-第二热交换器；

903-第三热交换器；

10-气体管路；

11-J-T阀；

12-气态回冷式管线；

13-气体处理系统；

14-氦气管线；

15-阀门；

16-储气罐；

17-循环泵；

18-柔性波纹管；

19-气态回冷式管线供气管；

20-气态回冷式管线回气管；

21-多层绝热膜；

22-回气孔；

23-节流针阀；

24-出气孔；

25-样品腔。

具体实施方式

下面结合附图对本申请作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本实用新型的技术方案，而不能以此来限制本申请的保护范围。

如图1、图2所示，一种逆流式闭循环低温冷却系统，包括：制冷机1、压缩机2、气体处理系统13、真空罩5、冷屏8、多个热交换器、气体管路10、J- T阀11、气态回冷式管线12、样品腔25。

制冷机1包括：一级冷头3和二级冷头6，一级冷头3、二级冷头6自上而下依次相连接；一级冷头3上安装有一级冷台4；二级冷头6上安装有二级冷台7。所述制冷机1可为4K制冷机。所述压缩机2为制冷机1持续提供 200～240PSI的高压氦气。

真空罩5内设有冷屏8，冷屏8固定在制冷机1的一级冷台4上，制冷机1 的二级冷头6伸入到冷屏8中。热交换器包括三个，其中第一热交换器901为逆流式热交换器，设置在一级冷台4上方，是由高导热性铜块包裹的并排双通道气管，一支为第一热交换器供气管，一支为第一热交换器回气管。第一热交换器回气管中的氦气来自于气态回冷式管线中冷的回路氦气，第一热交换器供气管氦气来自于气体处理系统进入制冷机的室温氦气。第一热交换器回气管中的氦气自下而上，第一热交换器供气管中氦气自上而下，两支管路进行逆流式热交换，对供气管中的室温氦气进行预冷；第二热交换器902设置在一级冷台 4上，第三热交换器903设置在二级冷台7上。所述真空罩内真空值优于10^-5mbar。

气体管路10缠绕于制冷机1冷头的周围，分为独立的两部分，一部分为气体管路供气管，一部分为气体管路回气管。气体管路供气管两端连接热交换器和气态回冷式管线12，中间部分设计为盘管形式安装在一级冷头3和二级冷头 6之间，并在靠近气态回冷式管线12的位置安装J-T阀11；气体管路回气管两端直接连接热交换器和气态回冷式管线12。

更具体地，对于气体管路供气管，分别连接所述热交换器供气管和气态回冷式管线供气管，中间部分设计为盘管形式安装在一级冷头和二级冷头之间，利用冷头对即将进入气态回冷式管线的氦气进行充分降温；对于气体管路回气管，分别连接所述气态回冷式管线回气管和第一热交换器回气管。氦气从气体处理系统13经由氦气管线到达制冷机内部气体管路的供气管，经过J-T阀11 节流膨胀，进入气态回冷式管线供气管到达样品腔25。对样品腔降温后氦气经由回气孔进入气态回冷式管线的回气管，再经由气体管路回气管到达第一热交换器，对热交换器的供气管中的室温氦气预冷后，直接进入气体处理系统13。

气体处理系统13包括：阀门15、储气罐16、循环泵17和氦气管线14。所述逆流式闭循环低温冷却系统包括两个闭合循环回路，制冷机1和压缩机2 通过两根氦气传输管线构成一个闭合循环回路；气体处理系统13依次连接制冷机1内部的气体管路10、气态回冷式管线12和样品腔25构成另一个闭合循环回路。

值得注意的是，本实用新型技术主题“一种逆流式闭循环低温冷却系统”中的“闭循环”主要是指由气体处理系统、气体管路、气态回冷式管线和样品腔构成的闭合循环回路。现有技术中通常液氦在样品腔消耗后不进行回收，本实用新型可以对氦气进行回收，即循环使用。而制冷机和压缩机构成闭合循环回路是制冷机正常工作的前提。

所述储气罐16上安装有指示气压的压力表，可实时监测循环气路压力。所述循环泵17为干泵，为气体处理系统13中氦气循环提供动力。所述氦气管线 14为不锈钢软管，将储气罐16、循环泵17和制冷机内的气体管路10连接起来。

气态回冷式管线12连接制冷机1内部的气体管路10和样品腔25，外部为不锈钢柔性波纹管18，内部包裹两根并排放置的不锈钢毛细管，一根为气态回冷式管线供气管19，一根为气态回冷式管线回气管20，管壁之间为真空环境，可隔绝大部分外部热辐射。

气态回冷式管线供气管19先用多层绝热膜21进行包裹，与气态回冷式管线回气管20并排放置后再用多层绝热膜21进行包裹，以此利用回流氦气作为冷屏，减少热辐射。气态回冷式管线端头为真空腔体式结构，气态回冷式管线供气管贯穿整个腔体内部，腔体侧面开有回气孔22，用于收集从样品腔25出来的氦气，以便导入到回气管20。气态回冷式管线12的末端安装可插拔式节流针阀23。节流针阀23的针体插入气态回冷式管线供气管19内部，使气态回冷式管线供气管内19冷媒在针阀处发生节流膨胀，获得更低温度后从出气孔24进入到样品腔。节流针阀23可根据需要达到的最低温有选择地进行安装。

所述J-T阀11为带有开关旋钮的不锈钢毛细管，安装于气体管路的供气管，具体为二级冷头和气体管路供气管之间。利用J-T效应，对冷的低温氦气进一步降温。

所述样品腔25可以为超高真空腔室、显微型样品腔和ARPES样品腔，适用于离子阱装置、探针台装置等。

低温冷却系统工作时，首先正确连接系统各个部件，将气态回冷式管线的末端插入样品腔内部(样品腔已抽真空，降温后可正常工作)，利用真空泵对制冷机进行抽真空，待真空腔内真空度降到10^-5mbar量级时，开启压缩机，制冷机开始制冷，此时真空泵继续工作，泵抽真空腔。其次，待二级冷头温度降到最低时，打开阀门和循环泵，启动气体处理系统，J-T阀阀门开到最大，使气体处理系统、气体管路、气态回冷式管线和样品腔构成的闭合回路中的氦气进行循环，反复对闭合回路进行充气、抽气，此目的是将闭合回路中的空气、水蒸气等杂质排出，使回路中仅留存氦气，防止在低温条件下杂质堵塞气态回冷式管线。最后，通过调节J-T阀从而对氦的流量进行调控，从而适度地调节样品腔温度。

本实用新型的有益效果在于，与现有技术相比，本实用新型提供一种逆流式闭循环低温冷却系统，气态回冷式管线和逆流式热交换器设计，充分利用回路中氦气的余冷对供气路中的氦气分别起到作为冷屏减少热辐射和进行预冷的作用；利用J-T效应，对低温氦气进行膨胀降温，使其温度进一步降低到2K以下；气态回冷式管线长度可根据工作距离进行一定程度的改变，且可以从任意方向进入样品腔，整套系统操作便捷，可长期连续工作，有非常好的经济适用性。该系统在不需要额外消耗液氦同时避免了制冷机产生的振动传递到样品腔，保持了样品腔超低振动特性，适合对振动敏感的STM、AFM、ARPES等实验，设备匹配度高。

本实用新型申请人结合说明书附图对本实用新型的实施示例做了详细的说明与描述，但是本领域技术人员应该理解，以上实施示例仅为本实用新型的优选实施方案，详尽的说明只是为了帮助读者更好地理解本实用新型精神，而并非对本实用新型保护范围的限制，相反，任何基于本实用新型的实用新型精神所作的任何改进或修饰都应当落在本实用新型的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种逆流式闭循环低温冷却系统，包括：制冷机(1)、压缩机(2)、真空罩(5)、冷屏(8)、多个热交换器、气体管路(10)、J-T阀(11)、气态回冷式管线(12)、气体处理系统(13)和样品腔(25)；其特征在于，

所述制冷机(1)包括一级冷头(3)和二级冷头(6)，一级冷头(3)和二级冷头(6)自上而下依次相连接；所述一级冷头(3)上安装有一级冷台(4)；所述二级冷头(6)上安装有二级冷台(7)；

所述冷屏(8)设置在真空罩(5)内，固定在制冷机(1)的一级冷台(4)上，制冷机(1)的二级冷头(6)伸入到冷屏(8)中；

多个热交换器至少包括：设置在一级冷台(4)上方的第一热交换器(901)、设置在一级冷台(4)上的第二热交换器(902)和设置在二级冷台(7)上的第三热交换器(903)，所述第一热交换器(901)为逆流式热交换器；

所述气体管路(10)缠绕于一级冷头(3)和二级冷头(6)的周围；

所述制冷机(1)和压缩机(2)通过两根氦气传输管线构成一个闭合循环回路；

所述气体处理系统(13)依次连接气体管路(10)、气态回冷式管线(12)和样品腔(25)构成另一个闭合循环回路。

2.根据权利要求1所述的一种逆流式闭循环低温冷却系统，其特征在于：

所述制冷机(1)为4K制冷机。

3.根据权利要求1所述的一种逆流式闭循环低温冷却系统，其特征在于：

所述压缩机(2)为制冷机循环提供200～240PSI的高压氦气。

4.根据权利要求1至3中任一项所述的一种逆流式闭循环低温冷却系统，其特征在于：

所述气体处理系统(13)包括储气罐(16)、循环泵(17)和氦气管线(14)；

所述储气罐(16)为不锈钢罐，其上安装有指示气压的压力表；所述循环泵(17)为干泵；所述氦气管线(14)为不锈钢软管。

5.根据权利要求1至3中任一项所述的一种逆流式闭循环低温冷却系统，其特征在于：

第一热交换器(901)包括：由铜块包裹的并排双通道气管，一支为第一热交换器供气管，一支为第一热交换器回气管；

第一热交换器回气管中的氦气来自于气态回冷式管线(12)中冷的回路氦气，第一热交换器供气管中的氦气来自于气体处理系统(13)进入制冷机(1)的室温氦气；第一热交换器回气管中的氦气自下而上，第一热交换器供气管中的氦气自上而下，两支管路进行逆流式热交换，对供气管中的室温氦气进行预冷。

6.根据权利要求5所述的一种逆流式闭循环低温冷却系统，其特征在于：

所述气态回冷式管线(12)外部为不锈钢柔性波纹管(18)，内部并排放置两根不锈钢毛细管，一根为气态回冷式管线供气管(19)，一根为气态回冷式管线回气管(20)；

所述气态回冷式管线(12)端头为真空腔体式结构，其供气管贯穿整个腔体内部，该腔体侧面开有回气孔(22)；

所述气态回冷式管线(12)末端安装可插拔式节流针阀(23)，节流针阀(23)的针体可插入气态回冷式管线供气管(19)内部，使气态回冷式管线供气管(19)内冷媒在节流针阀(23)处发生节流膨胀；

所述柔性波纹管(18)和不锈钢毛细管之间为真空夹层；气态回冷式管线供气管(19)先用多层绝热膜进行包裹，与气态回冷式管线回气管(20)并排放置后再用多层绝热膜进行包裹。

7.根据权利要求6所述的一种逆流式闭循环低温冷却系统，其特征在于：

所述气体管路(10)分为独立的两部分，一部分为气体管路供气管，一部分为气体管路回气管；

对于气体管路供气管，依次连接第一热交换器供气管和气态回冷式管线供气管，中间部分以盘管形式缠绕于一级冷头(3)和二级冷头(6)之间；对于气体管路回气管，连接气态回冷式管线回气管和第一热交换器回气管。

8.根据权利要求1至3中任一项所述的一种逆流式闭循环低温冷却系统，其特征在于：

所述J-T阀(11)为带有开关旋钮的不锈钢毛细管，安装于气体管路供气管，具体为二级冷头(6)和气体管路供气管之间。

9.根据权利要求1至3中任一项所述的一种逆流式闭循环低温冷却系统，其特征在于：

所述真空罩(5)内真空值优于10^-5mbar。

10.根据权利要求1至3中任一项所述的一种逆流式闭循环低温冷却系统，其特征在于：

所述样品腔(25)为超高真空腔室、显微型样品腔或ARPES样品腔，适用于离子阱装置、探针台装置。

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