一种机械振动隔离的液氦再凝聚低温制冷系统的制作方法

本发明属于低温制冷设备技术领域，具体涉及一种机械振动隔离的液氦再凝聚低温制冷系统。

背景技术：

低温环境指低于-180°C（93.15 K）的环境，它在物理、化学、材料、生物、国防、信息等领域有重要应用。随着科技发展，前沿精密的科学研究和技术应用不但需要接近极低温（4.2 K）的环境，而且还需要低振动和超高真空环境。目前绝大多数满足以上指标的低温制冷设备需要消耗资源稀缺且价格昂贵的液氦，运行成本较大。为了摆脱低温制冷设备对液氦的极度依赖，近期已有机械振动隔离的无液氦消耗低温制冷系统（ZL 201610002349.8）。这种低温制冷系统采用无液氦消耗的闭循环制冷机制冷，解决了传统低温设备消耗大量液氦的问题；采用氦气热交换气作为导热媒介，在致冷降温的同时还能有效隔绝制冷机振动。然而闭循环制冷机的工作原理导致制冷功率会周期性变化，且通过氦气热交换气的致冷隔振技术仍存在隔振界面上制冷功率低、温度波动较大等局限性。这些原因导致无液氦消耗低温制冷系统的制冷效率和温度稳定性仍低于消耗液氦的低温制冷系统。所以开发一种温度稳定性高且实现机械振动隔离的几乎不消耗液氦的低温制冷系统具有重大意义。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种机械振动隔离的、温度波动小、制冷功率高的，且几乎无氦气和液氦消耗的低温制冷系统，即一种机械振动隔离的液氦再凝聚低温制冷系统。该系统的运行能与低振动环境和超高真空环境相兼容。

本发明提供的机械振动隔离的液氦再凝聚低温制冷系统，包括：闭循环制冷机系统，液氦再凝聚致冷隔振系统和温度反馈控制系统。其中，所述闭循环制冷机系统包括：制冷头、压缩机，以及连接压缩机与制冷头的氦气输送管道；所述液氦再凝聚致冷隔振系统包括：致冷隔振界面、氦气热交换气、再凝聚产生的液氦，以及用于密封氦气和隔离振动的软橡胶等；所述温度反馈控制系统由测温元件、加热元件和反馈控温电路组成。

所述液氦再凝聚致冷隔振系统中，闭循环制冷机的制冷头伸入致冷隔振界面内，制冷头和致冷隔振界面间填充氦气热交换气体作为致冷降温媒质；所述软橡胶连接密封致冷隔振界面的上端和制冷头，其密封氦气交换气的同时能够隔离制冷头的低频机械振动；由于制冷头最低温端的温度低于4.2 K，氦气热交换气在致冷隔振界面内再凝聚形成液氦。再凝聚形成的液氦有较大的潜热，它极大地提高了制冷头和致冷隔振界面的换热能力，从而使得本发明提供的一种机械振动隔离的液氦再凝聚低温制冷系统在获得低温低振动环境的同时，有极好的制冷能力和温度稳定性。

所述温度反馈控制系统中，加热元件设置在致冷隔振界面的低温端，测温元件设置在致冷隔振界面上，高度覆盖再凝聚形成的液氦的水平投影面。所述测温元件用于间接测量再凝聚形成液氦的液面高度，反馈控温电路用于控制加热元件的输出功率。通过温度反馈控制系统可以调节液氦液面的高度，避免因液氦液面与制冷头直接接触而引入的振动；温度反馈控制系统还可以实现大范围的变温。

本发明中，在致冷隔振界面上还可设有热辐射屏蔽罩，用于屏蔽高温辐射导致的漏热。

本发明中，为使本发明提供的机械振动隔离的液氦再凝聚低温制冷系统与用户的超高真空环境所需的高温烘烤条件兼容，所述液氦再凝聚致冷隔振系统可以采用不锈钢和无氧铜等材料以及与超高真空兼容的焊接和密封技术。

本发明中，闭循环制冷机的类型包括但不限于吉福特-麦克马洪制冷机、斯特林式制冷机、脉管式制冷机以及基于这些原理的改良型制冷机等。闭循环制冷机的制冷功率和最低温度根据制冷机的工作原理和型号有所区别。

本发明具有以下有益效果：

1.本发明采用的闭循环制冷机和液氦再凝聚致冷隔振系统的运行几乎无氦气和液氦消耗。这种方案解决了传统低温制冷设备需要消耗资源稀缺、价格昂贵的液氦的问题。

2.本发明利用再凝聚技术液化部分氦气热交换气在低温端生成液氦，极大提高了系统的制冷功率和温度稳定性。这种方案解决了传统闭循环制冷机在低温时温度波动大的问题。

3.本发明采用的氦气热交换气致冷隔振界面有效的隔绝了闭循环制冷机工作时的低频机械振动，这种方案同时提供了低温和低振动的工作环境。

4.本发明采用的温度反馈控制系统可以实现液氦液面控制，还能实现大范围的变温操作。

5.本发明提供的在几乎无氦气和液氦消耗的条件下实现低温低振动的方案也可以在超高真空环境中工作，可以承受实现超高真空环境需要的高温烘烤。

附图说明

图1是本发明提出的机械振动隔离的液氦再凝聚低温制冷系统装置的原理示意图。

图2是闭循环制冷机中的制冷头部件、液氦再凝聚致冷隔振系统的实施例装配体剖面图。

图3是温度反馈控制系统的实施例装配体示意图。

图中标号：1-闭循环制冷机系统，2-液氦再凝聚致冷隔振系统，3-用户的样品或设备，4-温度反馈控制系统，5-真空腔体，6-制冷头，7--致冷隔振界面，8-氦气热交换气，9-液化或再凝聚形成的液氦，10-实验样品或设备，11-热屏蔽罩，12-软橡胶，13-加热元件，14-第一测温元件，15-第二测温元件。

具体实施方式

为了使本发明的使用更加清楚明了，下面结合具体实施例，并参照附图，对本发明做进一步详细说明。

本发明装置包括：闭循环制冷机系统1，液氦再凝聚致冷隔振系统2；温度反馈控制系统4。其中，

闭循环制冷机系统1包括：闭循环制冷头6、压缩机和氦气输送管道等。液氦再凝聚致冷隔振系统2包括：致冷隔振界面7、氦气热交换气8、再凝聚形成的液氦9、热屏蔽罩11和软橡胶12等。

温度反馈控制系统3包括：加热元件13、第一测温元件14和第二测温元件15。

所述液氦再凝聚致冷隔振系统中，闭循环制冷机系统的制冷头6伸入致冷隔振界面7内，制冷头和致冷隔振界面间填充氦气热交换气8作为致冷降温媒质。所述软橡胶12连接密封致冷隔振界面的上端和制冷头，其密封氦气交换气的同时能够隔离制冷头的低频机械振动。氦气热交换气在闭循环制冷头的制冷作用下会在致冷隔振界面内再凝聚生成液氦，从而极大提高制冷头和致冷隔振界面间的制冷能力和温度稳定性。所述热辐射屏蔽罩11固定在致冷隔振界面上，用于屏蔽高温辐射导致的漏热。

所述温度反馈控制系统由加热元件13、第一测温元件14、第二测温元件15和反馈控温电路组成。其中，第一测温元件13和第二测温元件14分别设置在液氦水平投影面的下端和上端。通过测量第一和第二测温元件的温度，并结合反馈控制，可以控制致冷隔振界面内液氦的高度：当致冷隔振界面内没有液氦时，第一和第二测温元件的温度均高于氦气的相变点温度（4.2 K左右）；当制冷隔振界面内的液氦液面在第一和第二测温元件之间时，第一测温元件的温度等于相变点温度，第二测温元件的温度高于相变点温度；当液氦液面高于第二测温元件时，第一和第二测温元件的温度均等于相变点温度。此外，通过温度反馈控制系统还可以实现大范围的变温操作。

在本实施例中，采用闭循环制冷机系统解决了传统低温制冷运行需要大量液氦的问题；采用氦气热交换气致冷隔振界面解决了传统制冷机运行产生的微米级及以上的低频机械振动的问题；采用液氦再凝聚技术解决了传统闭循环制冷机在低温下温度波动大的问题；采用温度反馈控制系统进行反馈控温，不但可以控制致冷隔振界面内再凝聚形成的液氦液面高度，还可以实现大范围变温操作；采用不锈钢和无氧铜等材料制成真空环境中的致冷隔振界面，与超高真空环境所需的高温烘烤条件相兼容。

以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果作了进一步的描述说明。所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不限于本发明。凡是在本发明精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。