CN101487652B

CN101487652B - 超静液氦恒温器

Info

Publication number: CN101487652B
Application number: CN2009101161743A
Authority: CN
Inventors: 庞宗强; 陆轻铀
Original assignee: University of Science and Technology of China USTC
Current assignee: University of Science and Technology of China USTC
Priority date: 2009-02-09
Filing date: 2009-02-09
Publication date: 2011-01-05
Anticipated expiration: 2029-02-09
Also published as: CN101487652A

Abstract

本发明超静液氦恒温器涉及液氦恒温器，包括外壳、内胆、瓶颈、抽充气管、氦出气管和冷屏，内胆置于外壳内部，瓶颈一端从内胆顶部伸入至内胆底部并与内胆底部封接，另一端从外壳顶部与外壳外部相通，抽充气管连通瓶颈内部与外壳外部，冷屏置于内胆与外壳之间并罩住内胆，氦出气管盘绕于冷屏上，其两端连通内胆内部与外壳外部，内胆外部与外壳内表面之间为真空。可增设盘绕于瓶颈上的辅助氦出气管，其两端连通内胆内部与外壳外部。瓶颈可用波纹管制作。瓶颈从内胆顶部伸入至底部并与之封接，获得一个与液氦隔离的低温腔体，避免了液氦的沸腾对瓶颈内实验装置碰撞带来的震动。使用两根氦出气管能兼顾冷屏和瓶颈的冷却，降低氦蒸发率。

Description

超静液氦恒温器

技术领域

本发明涉及液氦恒温器，特别涉及一种具有超低震动的科研用超静液氦恒温器，属于低温恒温器技术领域。

背景技术

科研用液氦恒温器是一种能给实验装置提供低温冷环境并屏蔽外界温度、空气和水汽对实验的影响的低温容器，已被广泛应用于在低温环境下热物理性能、材料力学性能、磁力学性能、材料超导性能、光学物理性能及生物医药研制等的研究和测试领域。

现有的科研用液氦恒温器存在如下缺点：(1)使用时实验装置直接浸泡在内胆里的液氦中，液氦的沸腾对实验装置产生较大震动，一直以来都是低温扫描探针显微镜制作的障碍，因其原子级别的成像对外界的震动非常敏感；想要获得高清晰的原子分辩率图象，必须尽量去减小来自外界的各种震动干扰。(2)使用可变温插件可隔离液氦与实验装置，但可变温插件也占据了较大的低温空间，使得实验装置的体积不得不减小，否则无法植入到空间非常有限的极端条件中，如内孔径较小的强磁体中；此外可变温插件的价格也比较昂贵。

发明内容

为了解决现有科研用液氦恒温器所存在的震动大的缺陷，制造出具有超低震动的液氦恒温器。

本发明实现超静液氦恒温器的技术方案是：

本发明超静液氦恒温器，包括外壳、内胆、瓶颈、氦出气管和冷屏，其特征在于还包括抽充气管，内胆置于外壳内部，所述瓶颈的一端从内胆顶部伸入至内胆底部并与内胆底部封接，另一端从外壳顶部与外壳外部相通，所述抽充气管连通瓶颈内部与外壳外部，所述冷屏置于内胆与外壳之间并罩住内胆，所述氦出气管盘绕于冷屏之上，其两端连通内胆内部与外壳外部，内胆外部与外壳内表面之间为真空。

本发明所述的超静液氦恒温器，其特征也在于：

增设辅助氦出气管，盘绕于瓶颈之上，其两端连通内胆内部与外壳外部。

所述内胆顶部与外壳顶部之间增设氦注液管。

所述氦出气管在外壳外部的端口增设了气体流速控制阀。

所述辅助氦出气管在外壳外部的端口增设了气体流速控制阀。

所述内胆与冷屏之间和/或冷屏与外壳之间缠绕交替的多层喷铝薄膜和真空绝热纤维纸。

所述瓶颈的处于内胆顶部到外壳顶部之间的部分为波纹管。

本发明超静液氦恒温器的工作原理为：

瓶颈的一端从内胆顶部伸入至内胆底部并与内胆底部封接，在内胆的液氦池中隔离出一个低温无液氦腔体，置于此腔体内的实验装置可以避免沸腾液氦的碰撞带来的震动问题，通过连通瓶颈和外壳外部的抽充气管往瓶颈内输入少量氦气作为热交换气体，可较好地对处于瓶颈底部的实验装置降温。

内胆中蒸发出的冷氦气可通过两根氦出气管引出，而非如传统的单管引出，其中盘绕在冷屏上的氦出气管用来冷却冷屏，盘绕在瓶颈上的辅助氦出气管用来冷却瓶颈。由于冷屏与瓶颈都是由专用氦出气管冷却，而非如传统用单根氦出气管串联冷却冷屏与瓶颈，所以本发明中冷屏与瓶颈都得到了较好的冷却。所述氦出气管和/或辅助氦出气管在出口处皆可增设气体流速控制阀，控制其管内冷蒸气的流速，从而能从实验上调节出最优化的冷蒸气流速比，这就解决了现有液氦恒温器冷屏技术中存在的不能同时兼顾辐射漏热与传导漏热的问题，实现较低的液氦损耗。也避免了传统技术中所需的复杂且可靠性低的自洽性计算。

根据上述原理可以看出，与已有技术相比，本发明的有益效果体现在：

(1)瓶颈的一端从内胆顶部伸入至内胆底部并与内胆底部封接，避免了液氦的沸腾对瓶颈内实验装置碰撞而带来的震动问题；通过连通瓶颈和外壳外部的抽充气管往瓶颈内输入少量氦气作为热交换气体，可对处于瓶颈底部的实验装置更好地降温。

(2)使用两根氦出气管，能兼顾冷屏的冷却和瓶颈的冷却，从而降低氦蒸发率。

(3)所述的两根氦出气管的流量可独立控制，从而能根据实际情况具体调节出最佳流速比来获得最好的冷却效果，实现最小液氦损耗，不需要进行复杂且不可靠的自洽计算。

(4)瓶颈的处于内胆顶部到外壳顶部之间的部分可用波纹管制作，可增加瓶颈传导漏热的有效长度，进一步减小来自瓶颈的传导漏热。

附图说明

图1是用本发明基本型超静液氦恒温器结构示意图。

图2是用本发明双盘管冷蒸气制冷的超静液氦恒温器结构示意图。

图3是用本发明瓶颈为波纹管的双盘管冷蒸气制冷的超静液氦恒温器结构示意图。

图中标号：1外壳、2内胆、3、瓶颈、4抽充气管、5氦出气管、6冷屏、7辅助氦出气管、8氦注液管

以下通过具体实施方式和结构附图对本发明作进一步的描述。

具体实施方式

实施例1：基本型超静液氦恒温器

参见图1，本发明基本型超静液氦恒温器，包括外壳1、内胆2、瓶颈3、氦出气管5和冷屏6，其特征在于还包括抽充气管4、内胆2置于外壳1内部，所述瓶颈3的一端从内胆2顶部伸入至内胆2底部并与内胆2底部封接，另一端从外壳1顶部与外壳1外部相通，所述抽充气管4连通瓶颈3内部与外壳1外部，所述冷屏6置于内胆2与外壳1之间并罩住内胆2，所述氦出气管5盘绕于冷屏6之上，其两端连通内胆2内部与外壳1外部，内胆2外部与外壳1内表面之间为真空。

本实施例的工作原理如下：

瓶颈3的一端从内胆2顶部伸入至内胆2底部并与内胆2底部封接，在内胆2的液氦池中隔离出一个低温无液氦腔体，置于此腔体内的实验装置可以避免沸腾的液氦碰撞带来的震动问题，通过连通瓶颈3内部与外壳1外部的抽充气管4向瓶颈3内输入少量氦气进行热交换，从而对此隔离腔体内的实验装置进行较好地降温。

所述冷屏6置于内胆2与外壳1之间，所述氦出气管5盘绕于冷屏6之上，其两端连通内胆2内部与外壳1外部，以此利用氦的冷蒸气来冷却冷屏6从而减小外壳1到内胆2的辐射漏热。

实施例2：双盘管冷蒸气制冷的超静液氦恒温器

在上述实施例1中，为了能同时兼顾辐射漏热与来自瓶颈3的固体传导漏热，增设一根盘绕于瓶颈3之上，两端连通内胆2与外壳1外部的辅助氦出气管7，能较大程度地降低瓶颈3的温度，从而较大程度地减小从室温到液氦的固体传导漏热，参见图2。还可在氦出气管5和/或辅助氦出气管7在外壳外部的端口处增设气体流速控制阀，控制氦出气管5和辅助氦出气管7内冷蒸气的相对流速，从而获得最优化的冷蒸气流速比，实现较低的液氦损耗，从而能较大程度地降低由于液氦沸腾而产生的震动。

实施例3：瓶颈为波纹管的双盘管冷蒸气制冷的超静液氦恒温器

在上述实施例1和2中，为了进一步减小通过瓶颈3从外壳1到内胆2的的固体传导漏热，所述的从内胆2到外壳1之间的瓶颈3可使用壁厚更薄，热传导有效长度更长的波纹管代替，参见图3。

Claims

1.一种超静液氦恒温器，包括外壳、内胆、瓶颈、氦出气管和冷屏，其特征在于还包括抽充气管，内胆置于外壳内部，所述瓶颈的一端从内胆顶部伸入至内胆底部并与内胆底部封接，另一端从外壳顶部与外壳外部相通，所述抽充气管连通瓶颈内部与外壳外部，所述冷屏置于内胆与外壳之间并罩住内胆，所述氦出气管盘绕于冷屏之上，其两端连通内胆内部与外壳外部，内胆外部与外壳内表面之间为真空。

2.根据权利要求1所述的超静液氦恒温器，其特征在于所述内胆顶部与外壳顶部之间增设氦注液管。

3.根据权利要求1所述的超静液氦恒温器，其特征在于所述氦出气管在外壳外部的端口增设了气体流速控制阀。

4.根据权利要求1或2或3所述的超静液氦恒温器，其特征在于所述内胆与冷屏之间和/或冷屏与外壳之间缠绕交替的多层喷铝薄膜和真空绝热纤维纸。

5.根据权利要求1或2或3所述的超静液氦恒温器，其特征在于所述瓶颈的处于内胆顶部到外壳顶部之间的部分为波纹管。