CN116907155A - 一种无氦消耗蒸发制冷装置 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种无氦消耗蒸发制冷装置，包括：支撑框架、一级冷盘、二级冷盘、制冷盘、蒸发腔、脉管部件和循环泵；支撑框架中设置有真空腔体；一级冷盘设置在所述真空腔体中，一级冷盘的顶部设置有第一热沉，底部设置有第一容纳腔；二级冷盘设置在第一容纳腔中，二级冷盘的顶部设置有第二热沉，底部设置有第二容纳腔；制冷盘设置在第二容纳腔中；蒸发腔设置在制冷盘上，蒸发腔上设置有流阻器；脉管部件的一级冷头伸入真空腔体中与一级冷盘连接，二级冷头伸入第一容纳腔中与二级冷盘连接；循环泵的抽气端通过管路与蒸发腔连接，循环泵的进气端通过管路依次与第一热沉、第二热沉、流阻器和蒸发腔连接。本发明可以实现温度为2K以下的低温环境。
Description
技术领域
本申请涉及制冷技术领域，尤其涉及一种无氦消耗蒸发制冷技术。
背景技术
液氦温度(温度在4K附近；K为开尔文，是物理中的温度单位；0K为无法达到的绝对零度)下的实验环境通常可以通过液氦或者商业化的压缩机获得，而1K到2K的实验环境则需要在已有的4K附近的环境基础上增加新的设计才能获得。
用液氦来提供液氦温度环境的预冷方式称为“湿式”制冷。但是，湿式液氦蒸发腔需要持续的液氦供应，而我国的氦资源依靠进口，国内仅部分城市具有液氦供应，价格逐年上涨且供应经常不稳定。另外，受限于液氦杜瓦的设计，湿式制冷机所提供的2K以下的温度环境受到空间尺寸制约较大。此外，由于湿式制冷机需要不断消耗液氦，因此在设备运行过程中每隔一段时间就需要补充液氦。上述补充液氦过程需要中断实验，从而影响实验的连续性；而且，通过人工的方式来传输、补充液氦也使得制冷机无法完全进行远程控制和自动运行。
利用压缩机压缩和膨胀氦气提供液氦温度环境的制冷方式称为“干式”制冷。由于干式制冷不需要消耗液氦，因此成本更低，使用也更便捷。在现有技术中，脉管制冷技术是一种常用的干式制冷技术。但是，该技术通常只能提供液氦温度环境，而无法获得低于2K的温度。
目前被广泛使用的2K以下温度的商业化设备包括Quantum Design的综合物性测量***(PPMS，Physical Property Measurement System)、牛津仪器的TeslatronPT和稀释制冷机等设备。但是，上述设备几乎被国外市场所垄断，价格远高于成本，用户也很难在这样的设备上进行自主设计和改造以获得更低的温度。
发明内容
有鉴于此，本发明提供了一种无氦消耗蒸发制冷装置，用以实现温度2K以下的低温环境。
本发明的技术方案具体实现方式为：
一种无氦消耗蒸发制冷装置，该无氦消耗蒸发制冷装置包括：支撑框架、一级冷盘、二级冷盘、制冷盘、蒸发腔、脉管部件和循环泵；
所述支撑框架中设置有真空腔体；
所述一级冷盘设置在所述真空腔体中；所述一级冷盘的顶部通过第一支撑杆与所述支撑框架的顶部连接；所述一级冷盘的顶部设置有第一热沉；所述一级冷盘的底部设置有第一容纳腔；
所述二级冷盘设置在所述第一容纳腔中；所述二级冷盘的顶部通过第二支撑杆与所述一级冷盘的底部连接；所述二级冷盘的顶部设置有第二热沉；所述二级冷盘的底部设置有第二容纳腔；
所述制冷盘设置在所述第二容纳腔中；所述制冷盘的顶部通过第三支撑杆与所述二级冷盘的底部连接；
所述蒸发腔设置在所述制冷盘上；所述蒸发腔上设置有流阻器；
所述脉管部件的一级冷头伸入所述真空腔体中与所述一级冷盘连接；所述脉管部件的二级冷头伸入所述第一容纳腔中与所述二级冷盘连接；
所述循环泵的抽气端通过管路与所述蒸发腔连接；所述循环泵的进气端通过管路依次与所述第一热沉、第二热沉、流阻器和蒸发腔连接。
较佳的，所述流阻器包括：毛细管和金属丝；
所述毛细管为预设第一直径的金属管；
所述金属丝的直径小于所述第一直径；所述金属丝沿所述毛细管的延伸方向设置在所述毛细管的内部。
较佳的，所述毛细管为不锈钢管，所述金属丝为不锈钢丝。
较佳的，所述管路分别在所述第一热沉和第二热沉上缠绕预设的圈数，并用焊锡固定所述管路与所述第一热沉和第二热沉。
较佳的，所述管路中还分别设置有第一螺旋段和第二螺旋段；所述第一螺旋段和第二螺旋段均为绕成螺旋形的管路；
所述第一螺旋段设置在所述第一热沉与支撑框架的顶部之间；所述第二螺旋段设置在所述第二热沉与所述一级冷盘的底部之间。
较佳的，所述支撑框架包括：至少4根支撑柱和1个顶板；
所述支撑柱设置在所述顶板的底部；所述支撑柱的顶部与所述顶板的底部连接。
较佳的，所述支撑柱由铝合金材料制成；
所述顶板由不锈钢材料制成。
较佳的，所述第一支撑杆、第二支撑杆和第三支撑杆由不锈钢材料制成。
较佳的，所述第一容纳腔和第二容纳腔的外壁均由纯铝加工制成；
所述一级冷盘的上表面、所述第一容纳腔的外表面、所述二级冷盘的上表面和所述第二容纳腔的外表面均包裹有镀铝薄膜。
较佳的，所述脉管部件为脉管制冷机。
如上可见，本发明的无氦消耗蒸发制冷装置，先通过干式制冷的方式进行预冷，实现液氦的温度环境，然后通过循环制冷方式在氦的零消耗(即不消耗氦)的情况下实现低于2K的制冷温度，因此实现了不依赖于液氦供应的蒸发制冷机；此外，对制冷装置中各个部件的热阻设计可以有效地减小外界漏热，这也是实现2K以下的低温环境的必要条件。
附图说明
图1为本发明实施例中的无氦消耗蒸发制冷装置的结构示意图。
图2为本发明实施例中的无氦消耗蒸发制冷装置的部分结构示意图。
图3为本发明实施例中的流阻器的结构示意图。
图4为本发明实施例中的热沉与管路的结构示意图。
图5为本发明实施例中的螺旋段的结构示意图。
图6为本发明实施例中循环制冷能够达到的最低温度的制冷效果图。
具体实施方式
为使本发明的技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及具体实施例，对本发明作进一步详细的说明。
图1为本发明实施例中的无氦消耗蒸发制冷装置的结构示意图。如图1所示，本发明实施例中的无氦消耗蒸发制冷装置包括：支撑框架、一级冷盘、二级冷盘、制冷盘、蒸发腔、脉管部件和循环泵；
所述支撑框架中设置有真空腔体；
所述一级冷盘设置在所述真空腔体中；所述一级冷盘的顶部通过第一支撑杆与所述支撑框架的顶部连接；所述一级冷盘的顶部设置有第一热沉；所述一级冷盘的底部设置有第一容纳腔；
所述二级冷盘设置在所述第一容纳腔中；所述二级冷盘的顶部通过第二支撑杆与所述一级冷盘的底部连接；所述二级冷盘的顶部设置有第二热沉；所述二级冷盘的底部设置有第二容纳腔；
所述制冷盘设置在所述第二容纳腔中；所述制冷盘的顶部通过第三支撑杆与所述二级冷盘的底部连接；
所述蒸发腔设置在所述制冷盘上；所述蒸发腔上设置有流阻器；
所述脉管部件的一级冷头伸入所述真空腔体中与所述一级冷盘连接；所述脉管部件的二级冷头伸入所述第一容纳腔中与所述二级冷盘连接；
所述循环泵的抽气端通过管路与所述蒸发腔连接；所述循环泵的进气端通过管路依次与所述第一热沉、第二热沉、流阻器和蒸发腔连接。
在本申请中的上述无氦消耗蒸发制冷装置中，支撑框架可以起到支撑和隔热的作用。真空腔体设置在支撑框架中，而一级冷盘、二级冷盘、制冷盘和蒸发腔则都设置在真空腔体中。脉管部件的一级冷头与一级冷盘连接，为该一级冷盘提供制冷，使得该一级冷盘的温度可以达到约40K；二级冷盘设置在该一级冷盘底部的第一容纳腔中，脉管部件的二级冷头与二级冷盘连接，为该二级冷盘提供制冷，使得该二级冷盘的温度可以达到约4K；制冷盘设置在该二级冷盘底部的第二容纳腔中，由设置在该制冷盘上的蒸发腔提供冷量。其中，循环泵与该蒸发腔之间通过管路形成一个封闭的环路，氦气从该循环泵的进气端通过管路经过一级冷盘上的热沉时，将被预冷到接近该一级冷盘的温度，约40K；然后，氦气再通过管路经过二级冷盘上的热沉时，将被预冷到接近该二级冷盘的温度(即液氦的温度，约4K)；随后，氦气、液氦混合物再通过管路进入流阻器中，利用焦汤膨胀(Joule-Thompsonexpansion)制冷的原理进一步降温，液化后流入制冷盘上的蒸发腔中。储存在该蒸发腔中液氦表面上方的氦气将被循环泵通过抽气端从回流管路抽走，这使得所述蒸发腔中的气体压强约为20毫巴(mbar)；被抽走的气体将继续进入循环泵的进气端，形成循环制冷，使得蒸发腔的温度下降。由于蒸发腔设置在制冷盘上，因此通过上述的方式可以使得制冷盘上的温度达到2K以下的温度(例如，可以达到约1.8K的制冷温度)。
在本申请中的上述无氦消耗蒸发制冷装置中，上述的循环制冷方式在氦的零消耗的情况下实现了低于2K的制冷温度，即实现了不依赖于液氦供应的蒸发制冷机。
另外，本申请的技术方案，可以通过多种方式来实现上述的无氦消耗蒸发制冷装置。以下将以几种具体的方式为例，对本申请的技术方案进行详细地介绍。
例如，作为示例，在本发明的一个具体实施例中，所述支撑框架可以包括：至少4根支撑柱和1个顶板；
所述支撑柱设置在所述顶板的底部；所述支撑柱的顶部与所述顶板的底部连接。
通过上述的顶板以及4根支撑柱，可以组成一个支撑框架。
另外，在本申请的技术方案中，可以根据实际应用情况的需要，使用不同的材料来制作上述的支撑柱和顶板。
例如，作为示例，在本发明的一个具体实施例中，所述支撑柱由铝合金材料制成；所述顶板由不锈钢材料制成。
另外，在本申请的技术方案中，可以根据实际应用情况的需要，使用不同的方式来实现上述的流阻器。
例如，作为示例，在本发明的一个具体实施例中，所述流阻器可以包括：毛细管、金属丝；
所述毛细管为预设第一直径的金属管；
所述金属丝的直径小于所述第一直径；所述金属丝沿所述毛细管的延伸方向设置在所述毛细管的中部。
在本申请的技术方案中，可以根据实际应用场景的需要，预先确定上述第一直径的取值。
例如，作为示例，在本发明的一个具体实施例中，所述第一直径可以是0.3毫米(mm)。
当已预冷到液氦温度的氦气、液氦混合物流入上述的流阻器时，它们将发生焦汤膨胀，温度将继续下降，氦气、液氦混合物将进一步液化之后进入蒸发腔，通过循环泵对蒸发腔抽气实现蒸发制冷，从而蒸发腔可以达到更低的温度。
另外，在本申请的技术方案中，由于在毛细管中***了金属丝，在保证流阻足够大以发生焦汤膨胀并达到同样的制冷效果的前提下，可以使用长度更短的流阻器，从而有效地节省制冷机的空间。
此外，作为示例，在本发明的一个具体实施例中，所述毛细管可以是不锈钢管；设置在所述毛细管中的金属丝可以是不锈钢丝。采用不锈钢管和不锈钢丝可以大大地降低成本，而且不锈钢管和不锈钢丝相比于其他材料也更容易获得。
另外，作为示例，在本发明的一个具体实施例中，所述第一热沉和第二热沉可以是紫铜管；所述第一热沉和第二热沉分别通过不锈钢螺栓固定在第一冷盘和第二冷盘上，以保证充分的热接触。
另外，作为示例，在本发明的一个具体实施例中，所述第一热沉和第二热沉的直径可以是10mm，也可以是其他合适的取值。
另外，作为示例，在本发明的一个具体实施例中，所述管路分别在所述第一热沉和第二热沉上缠绕预设的圈数(例如，可以是15圈，或者是其他合适的圈数)，并用焊锡固定所述管路与所述热沉，以使得管路可以尽量与所述第一热沉和第二热沉形成充分的热接触。
另外，在本申请的技术方案中，优化不同位置处的管路的直径可以实现更好的制冷效果。
例如，作为示例，在本发明的一个具体实施例中，位于抽气端和蒸发腔之间的管路(回流管路)的直径可以是9mm；位于进气端和流阻器之间的管路的直径可以是3mm；其中，缠绕在所述第一热沉和第二热沉上的管路的直径可以是1.59mm。
另外，作为示例，在本发明的一个具体实施例中，所述管路中还可以分别设置有第一螺旋段和第二螺旋段；所述第一螺旋段和第二螺旋段均为绕成螺旋形的管路；
所述第一螺旋段设置在所述第一热沉与支撑框架的顶部之间；所述第二螺旋段设置在所述第二热沉与所述一级冷盘的底部之间。
通过上述的第一螺旋段，可以有效地增加管路的长度，减小处于室温的支撑框架的顶部向温度低的第一冷盘的漏热；通过上述的第二螺旋段，也可以有效地增加管路的长度，减小温度高的第一冷盘向温度低的第二冷盘的漏热。此外，上述第一螺旋段和第二螺旋段还可以有效地释放由于温度变化产生的应力。
另外，作为示例，在本发明的一个具体实施例中，所述第一容纳腔和第二容纳腔的罩子(即外壁)均可以由纯铝加工制成；所述一级冷盘的上表面、所述第一容纳腔的外表面、所述二级冷盘的上表面和所述第二容纳腔的外表面均包裹有镀铝薄膜，从而可以进一步减小热辐射漏热。
另外，作为示例，在本发明的一个具体实施例中，所述螺旋段管路可以是不锈钢管路，绕在热沉上的管路可以是紫铜管。
另外，作为示例，在本发明的一个具体实施例中，所述第一支撑杆、第二支撑杆和第三支撑杆可以由不锈钢材料制成。
由于不锈钢材料的强度高而且热导率差，因此使用不锈钢材料可以同时起到支撑和隔热的作用；不锈钢材料的价格便宜而且容易获得，因此使用不锈钢材料可以在保证良好的制冷效果的同时有效地降低成本。
另外，作为示例，在本发明的一个具体实施例中，所述蒸发腔的容积可以约为110立方厘米(cc)；所述蒸发腔可以由无氧铜制成。
另外，作为示例，在本发明的一个具体实施例中，所述第一冷盘、第二冷盘和制冷盘均可以由无氧铜制成。
另外，作为示例，在本发明的一个具体实施例中，所述脉管部件可以是脉管制冷机，或者是其他合适的制冷机。
另外，作为示例，在本发明的一个具体实施例中，所述循环泵可以是涡旋真空泵，或者是其他合适的真空泵。
综上所述，本方案通过干式制冷的方式进行预冷，提供液氦的温度环境，然后通过上述的循环制冷方式在氦的零消耗的情况下实现低于2K的制冷温度，因此本方案可以实现不依赖于液氦供应的蒸发制冷机。在本申请的技术方案中，对制冷装置中各个部件的热阻设计可以有效地减小外界漏热。例如，如图6所示，在一次降温过程中可以得到的循环制冷最低温度约为1.72K，而且该实验结果在多次降温中可以重复得到。
本申请中的无氦消耗蒸发制冷装置可以提供稳定的约1.8K的低温环境。而且，本申请中的无氦消耗蒸发制冷装置还具有可扩展性，可以开展后续研发，增设更多的制冷单元，以获得更低的温度。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明保护的范围之内。
Claims (10)
1.一种无氦消耗蒸发制冷装置，其特征在于，该无氦消耗蒸发制冷装置包括：支撑框架、一级冷盘、二级冷盘、制冷盘、蒸发腔、脉管部件和循环泵；
所述支撑框架中设置有真空腔体；
所述一级冷盘设置在所述真空腔体中；所述一级冷盘的顶部通过第一支撑杆与所述支撑框架的顶部连接；所述一级冷盘的顶部设置有第一热沉；所述一级冷盘的底部设置有第一容纳腔；
所述二级冷盘设置在所述第一容纳腔中；所述二级冷盘的顶部通过第二支撑杆与所述一级冷盘的底部连接；所述二级冷盘的顶部设置有第二热沉；所述二级冷盘的底部设置有第二容纳腔；
所述制冷盘设置在所述第二容纳腔中；所述制冷盘的顶部通过第三支撑杆与所述二级冷盘的底部连接；
所述蒸发腔设置在所述制冷盘上；所述蒸发腔上设置有流阻器；
所述脉管部件的一级冷头伸入所述真空腔体中与所述一级冷盘连接；所述脉管部件的二级冷头伸入所述第一容纳腔中与所述二级冷盘连接；
所述循环泵的抽气端通过管路与所述蒸发腔连接；所述循环泵的进气端通过管路依次与所述第一热沉、第二热沉、流阻器和蒸发腔连接。
2.根据权利要求1所述的无氦消耗蒸发制冷装置，其特征在于：
所述流阻器包括：毛细管和金属丝；
所述毛细管为预设第一直径的金属管；
所述金属丝的直径小于所述第一直径；所述金属丝沿所述毛细管的延伸方向设置在所述毛细管的内部。
3.根据权利要求2所述的无氦消耗蒸发制冷装置，其特征在于：
所述毛细管为不锈钢管，所述金属丝为不锈钢丝。
4.根据权利要求1所述的无氦消耗蒸发制冷装置，其特征在于：
所述管路分别在所述第一热沉和第二热沉上缠绕预设的圈数，并用焊锡固定所述管路与所述第一热沉和第二热沉。
5.根据权利要求1或4所述的无氦消耗蒸发制冷装置，其特征在于：
所述管路中还分别设置有第一螺旋段和第二螺旋段；所述第一螺旋段和第二螺旋段均为绕成螺旋形的管路；
所述第一螺旋段设置在所述第一热沉与支撑框架的顶部之间；所述第二螺旋段设置在所述第二热沉与所述一级冷盘的底部之间。
6.根据权利要求1所述的无氦消耗蒸发制冷装置，其特征在于，所述支撑框架包括：至少4根支撑柱和1个顶板；
所述支撑柱设置在所述顶板的底部；所述支撑柱的顶部与所述顶板的底部连接。
7.根据权利要求6所述的无氦消耗蒸发制冷装置，其特征在于：
所述支撑柱由铝合金材料制成；
所述顶板由不锈钢材料制成。
8.根据权利要求1所述的无氦消耗蒸发制冷装置，其特征在于：
所述第一支撑杆、第二支撑杆和第三支撑杆由不锈钢材料制成。
9.根据权利要求1所述的无氦消耗蒸发制冷装置，其特征在于：
所述第一容纳腔和第二容纳腔的外壁均由纯铝加工制成；
所述一级冷盘的上表面、所述第一容纳腔的外表面、所述二级冷盘的上表面和所述第二容纳腔的外表面均包裹有镀铝薄膜。
10.根据权利要求1所述的无氦消耗蒸发制冷装置，其特征在于：
所述脉管部件为脉管制冷机。
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| CN116907155A true CN116907155A (zh) | 2023-10-20 |
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ID=88352505
Family Applications (1)
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2023
- 2023-07-14 CN CN202310870233.6A patent/CN116907155A/zh active Pending
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