低温真空实验设备的制作方法

本发明涉及超高真空检测技术领域，特别是涉及一种低温真空实验设备。

背景技术

低温杜瓦可以对样品提供稳定的低温环境，实验中对样品冷却到液氦温区需要用到液氦杜瓦。市面上常见的液氦杜瓦主要有cryovac杜瓦、janis杜瓦、cryogenic杜瓦、unisoku杜瓦。大多数液氦杜瓦采用由上直下的输液方式，其好处是能够使用标准液氦输液管，在输液的过程中减少液氦的消耗。

一般用于变温实验的液氦杜瓦在上、样品测试区在下的结构，不会进行升温降温实验。因为在进行升降温实验中，下方样品测试区的热量会直接传输到上方的液氦杜瓦，使得液氦的消耗量特别大。所以为了节省液氦，我们将样品测试区置于液氦杜瓦上方，利用调节液氦杜瓦液面上方压强的方法将液氦通过毛细管压入上方的样品测试区。如此一来，传统的由上直下的灌液氦的操作会比较繁琐。目前解决方法基本有两个：一个是灌液氦时移动上方的样品测试区，灌完液氦之后复位。另一个方法是从侧面灌液氦。

日本unisoku的杜瓦即采用上方样品测试区、下方液氦杜瓦的设计。其液氦输液途径为通过一个呈九十度的弯管从样品测试区下方插入液氦杜瓦，水平进行灌液氦。然而这种方式，不利于我们实验时更换液氦输液管，也不利于节省液氦。且带有隔温层的液氦输液管只能插入到弯管水平的部分，竖直的部分没有隔温层，会产生较大的液氦损耗，产生昂贵的液氦费用。

技术实现要素：

基于此，有必要针对传统的实验设备不利于灌输液氦，操作不便等问题，提供一种操作方便，且可采用标准液氦输液管进行液氦补充的低温真空实验设备。

上述目的通过以下技术方案实现：

一种低温真空实验设备，包括：液氦容器，用于装载液氦；

连接法兰，包括相连接的第一法兰和第二法兰，所述第一法兰与所述液氦容器连接；所述第一法兰与所述第二法兰不同轴，且所述第一法兰的轴线与所述第二法兰的轴线相互平行；所述第一法兰的面积大于所述第二法兰的面积，所述第二法兰的外周在所述液氦容器的横截面的投影，内切于所述第一法兰的外周在所述液氦容器的横截面的投影，所述第一法兰具有差集法兰部；

以及管道，穿设于所述差集法兰部，且与所述液氦容器的内部连通。

上述低温真空实验设备，通过第二法兰在空间上内切于第一法兰，使第一法兰具有差集法兰部，以设置与液氦容器内部连通的管道。可以理解，该管道可用于插设标准液氦输液管，从而在需要补充液氦时，无需移动上方样品测试装置，或者利用特制的非标准输液管来进行液氦的补充。而是可以采用标准液氦输液管插入到管道中，以对液氦容器进行液氦补充，操作简单方便，且减少输液过程中液氦的消耗。

附图说明

图1为本发明一实施例提供的低温真空实验设备的液氦容器与连接法兰的结构示意图；

图2为图1所示结构的俯视示意图；

图3为本发明一实施例提供的低温真空实验设备的结构示意图；

图4为图3所示结构的主视示意图；

图5为图4中a-a的剖视示意图。

其中：

10-低温真空实验设备；

100-液氦容器；

110-容器盖；111-第一支撑杆；

120-管道；121-第一管体；122-第二管体；

123-弹性管；124-隔热管；

125-第一管道；126-第二管道；127-第三管道；

130-供液管；

200-连接法兰；

210-第一法兰；220-第二法兰；230-差集法兰部；

240-连接管；241-电极管；

300-设备壳体；

400-样品测量装置；

410-装置壳体；

420-测量台；421-第二支撑杆；422-冷却腔；

500-第一保温壳体；510-排气管；

600-第二保温壳体；

700-液氮容器；710-加强板；

800-第三保温壳体。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下通过实施例，并结合附图，对本发明的低温真空实验设备进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

需要说明的是，当元件被称为“固定于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者也可以存在居中的元件。当一个元件被认为是“连接”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或者可能同时存在居中元件。相反，当元件被称作“直接在”另一元件“上”时，不存在中间元件。本文所使用的术语“垂直的”、“水平的”、“左”、“右”以及类似的表述只是为了说明的目的。

本发明实施例的低温真空实验设备10，其具体指的是上方为样品检测区，下方为液氦杜瓦装置的实验设备。针对传统的实验设备不便于采用标准液氦输液管进行液氦的补充的问题，本发明以下各实施例提供了一种操作方便，且可采用标准液氦输液管进行液氦补充的低温真空实验设备10。

请参见图1和图2，本发明一实施例提供的一种低温真空实验设备10，包括液氦容器100、连接法兰200和管道120。所述液氦容器100用于装载液氦。

所述连接法兰200包括相连接的第一法兰210和第二法兰220。所述第一法兰210与所述液氦容器100连接；所述第一法兰210与所述第二法兰220不同轴，且所述第一法兰210的轴线与所述第二法兰220的轴线相互平行；所述第一法兰210的面积大于所述第二法兰220的面积，所述第二法兰220的外周在所述液氦容器100的横截面的投影，内切于所述第一法兰210的外周在所述液氦容器100的横截面的投影，所述第一法兰210具有差集法兰部230。可以理解，所述第二法兰220是用于与样品测量装置400连接的。

所述管道120穿设于所述差集法兰部230，所述输液管道120与所述液氦容器100的内部连通。

需要说明的是，本发明实施例中，所述差集法兰部230引用了数学集合中的差集概念。所述差集法兰部230指的是，假设所述第一法兰210在所述液氦容器100的横截面的投影为a，所述第二法兰220在所述液氦容器100的横截面的投影为b，则属于a而不属于b的投影区域所对应的局部第一法兰为所述差集法兰部230。

所述液氦容器100用于装载液氦，并向所述样品测量装置400提供液氦，以将所述样品测量装置400的温度冷却至实验所需的液氦温区(例如4-5k，k为开尔文，为国际单位制中的温度单位)。所述液氦容器100为内空的密封结构，其形状可以为多种，只要其能够提供一个用于装载液氦的密封容器即可。可以理解，所述液氦容器100可大致呈筒状，其横截面形状可以为多种。例如圆形、方形、多边形等等。

所述管道120穿设于所述差集法兰部230，且与所述液氦容器100内部连通。可以理解，所述管道120可以为多个，多个所述管道120可分别用于插设液氦输液管，或者用于插设液面计等等。

在一个实施例中，所述管道120包括第一管道125，所述第一管道125与所述液氦容器100内部连通并指向所述液氦容器100的底面。所述第一管道125用于插设液氦输液管。所述第一管道125可插设液氦输液管，以便于通过所述液氦输液管向所述液氦容器100中补充液氦。本发明实施例中的液氦输液管指的是标准液氦输液管。采用标准液氦输液管可方便实验时更换液氦输液管，便于设备使用。所述第一管道125的横截面形状可以为多种，只要其能够用于插设液氦输液管即可。可以理解，所述第一管道125的横截面形状可以为圆形、椭圆形、方形或者多边形等等。

在一个实施例中，所述管道120还包括第二管道126，所述第二管道126与所述液氦容器100内部连通并指向所述液氦容器100的底面。所述第二管道126用于插设液面计。所述第二管道126的横截面形状可以为多种，只要其能够插设液面计即可。可以理解，所述第二管道126的横截面形状可以为圆形、椭圆形、方形或者多边形等等。本实施例中，充分且合理地利用了所述差集法兰部230的剩余空间，设置用于插设液面计的所述第二管道126，以实时监控所述液氦容器100中液氦的容量，便于及时补充液氦。

在一个实施例中，所述管道120还包括第三管道127，所述第三管道127与所述液氦容器100内部连通。所述第三管道127用于调节所述液氦容器100内部的气压。所述第三管道127的横截面形状可以为多种，只要其能够提供一个气体输入或输出的管道即可。可以理解，所述第三管道127的横截面形状可以为圆形、椭圆形、方形或者多边形等等。本实施例中，充分且合理地利用了所述差集法兰部230的剩余空间，设置与所述液氦容器100内部连通的所述第三管道127。从而可以实时调节所述液氦容器100中液氦液面上部空间的气压，以更好地实现向上方样品测量装置400提供液氦。

本发明实施例的低温真空实验设备10，通过第二法兰220在空间上内切于第一法兰210，使第一法兰210具有差集法兰部230，以设置与液氦容器100内部连通的管道120。且该管道120可用于插设标准液氦输液管，从而在需要补充液氦时，无需移动上方样品测试装置，或者利用特制的非标准输液管来进行液氦的补充。而是可以采用标准液氦输液管插入到所述管道120中，以对所述液氦容器100进行液氦补充，操作简单方便，且减少输液过程中液氦的消耗。此外，通过所述第二法兰220在空间上内切于所述第一法兰210，使得上方样品测量装置400与下方液氦容器100布置更加紧凑合理，从而使得所述低温真空实验设备10的结构更加稳定、规则。

作为一种可实施的方式，所述连接法兰200还包括连接管240，所述连接管240的一端与所述第一法兰210连接，所述连接管240另一端与所述第二法兰220连接；所述连接管240上设有与所述连接管240内部连通的多个电极管241。本实施例中，所述第一法兰210与所述第二法兰220通过所述连接管240连接，更加有利于低温真空实验设备10整体结构的布置。且通过在所述连接管240上设置多个与所述连接管240内部连通的所述电极管241，可以便于本发明的所述低温真空实验设备10与外部其他设备，例如控制设备，分析设备等等的连接。

所述第一法兰210与所述液氦容器100连接的结构方式可以为多种。参见图1，作为一种可实施的方式，所述液氦容器100包括容器盖110，所述容器盖110通过至少两个第一支撑杆111与所述第一法兰210连接。可以理解，所述第一支撑杆111可以为两个、三个及以上。各个所述第一支撑杆111可以沿着容器盖110的周向均匀分布，以使所述液氦容器100得到受力均匀的稳定固定。在一个实施例中，所述容器盖110的周向边缘，可设置有多个凸耳，多个所述凸耳与各个所述第一支撑杆111一一对应地连接。每个所述第一支撑杆111的一端焊接固定于所述第一法兰210。每个所述第一支撑杆111的另一端通过对应的所述凸耳与所述容器盖110连接。通过设置凸耳，可便于所述第一法兰210与所述液氦容器100的连接。例如在所述第一法兰210的面积大于所述液氦容器100的径向面积的情况下，通过所述凸耳使得所述第一法兰210与所述液氦容器100的连接方式更加灵活。

在一个实施例中，所述第一支撑杆111呈中空的管状。将所述第一支撑杆111设计为中空管的管状，可减弱所述第一法兰210与所述液氦容器100之间通过所述第一支撑杆111进行的热传递作用，从而减少液氦的消耗。进一步地，所述第一支撑杆111的管壁设有多个散热通孔。通过在所述第一支撑杆111的管壁设有多个所述散热通孔，可进一步减弱所述第一法兰210与所述液氦容器100之间通过所述第一支撑杆111进行的热传递作用，而减少液氦的消耗。

参见图1，作为一种可实施的方式，所述管道120包括第一管体121、第二管体122和弹性管123。所述弹性管123连接所述第一管体121和所述第二管体122。所述第一管体121穿设于所述差集法兰部230，所述第二管体122穿设于所述液氦容器100。可以理解，所述弹性管123可以是波纹管等具有一定弹性容错性能的管件。通过将所述管道120设计为包括所述第一管体121和所述第二管体122以及所述弹性管123的结构，可以增加所述管道120的容错性能，避免因为装配误差而出现所述管道120无法插入标准液氦输液管，或者无法插入液面计等现象的发生。可以理解，所述第一管道125、所述第二管道126和所述第三管道127均可设置为包括所述第一管体121、所述第二管体122和所述弹性管123的结构形式，以增加所述第一管道125、所述第二管道126和所述第三管道127的容错性能。

作为一种可实施的方式，所述低温真空实验设备10还包括隔热管124。所述隔热管124焊接于所述差集法兰部230，且与所述管道120连接。所述管道120与所述差集法兰部230通过所述隔热管124连接。通过设置所述隔热管124，可减少所述管道120与外部环境的热交换。可以理解，所述第一管道125、所述第二管道126和所述第三管道127均可通过所述隔热管124与所述差集法兰部230连接，以减少所述第一管道125、所述第二管道126和所述第三管道127与外部环境的热交换。

请参见图3至图5，作为一种可实施的方式，所述低温真空实验设备10还包括与所述第一法兰210连接的设备壳体300。所述液氦容器100通过所述第一法兰210悬挂于所述设备壳体300内。所述样品测量装置400包括与所述第二法兰220连接的装置壳体410。所述设备壳体300、所述连接法兰200与所述装置壳体410形成可被抽真空的密封空间。可以理解，所述装置壳体410、所述连接法兰200和所述设备壳体300自上而下依次密封连接。所述样品测量装置400位于所述液氦容器100的上方。所述第二法兰220在空间上内切于所述第一法兰210时，通过所述第一法兰210的所述差集法兰部230设置的所述第一管道125，可自上而下倾斜地将所述液氦输液管插入至所述液氦容器100底部。从而无需移走上方所述样品测量装置400，也无需采用特制的液氦输液管，而是采用通用的标准液氦输液管即可实现对低温真空实验设备10中所述液氦容器100的液氦补充。

在一个实施例中，所述样品测量装置400还包括设置于所述装置壳体410内的测量台420。所述测量台420可以是与所述装置壳体410连接安装。所述测量台420还可是通过至少两个第二支撑杆421支撑于所述液氦容器100。可以理解，所述第二支撑杆421可以为两个、三个及以上。各个所述第二支撑杆421可以沿着所述测量台420的周向均匀分布，以使所述测量台420得到受力均匀的稳定固定。

所述测量台420包括冷却腔422，所述液氦容器100设有自所述液氦容器100内部连通至所述冷却腔422的供液管130。所述供液管130可以是毛细钢管。通过调节所述液氦容器100中液面上方的气压，使液氦经所述毛细钢管压入所述冷却腔422。

作为一种可实施的方式，所述低温真空实验设备10还包括：套设于所述测量台420和所述液氦容器100的第一保温壳体500。以及与所述冷却腔422和所述装置壳体410的外部连通的排气管510。所述排气管510环绕于所述第一保温壳体500，并通过所述第一法兰210连通至所述装置壳体410外。需要说明的是，第一保温壳体500与所述测量台420和所述液氦容器100之间是具有一定间隔的。该间隔形成位于所述液氦容器100与所述第一保温壳体500之间的真空环境，可对所述液氦容器100起到保温的作用。

所述排气管510一端连通所述冷却腔422，另一端通过所述第一法兰210连通至所述装置壳体410外。通过设置所述排气管510，可将吸收热量冷却所述测量台420后的氦气排出。而用于排气的所述排气管510环绕于所述第一保温壳体500，可充分利用气体中残余的冷度对所述第一保温壳体500降温，进而对所述液氦容器100起到更好的保温作用。

作为一种可实施的方式，所述低温真空实验设备10还包括：套设于第一保温壳体500的第二保温壳体600。所述第二保温壳体600与所述第一保温壳体500之间具有间隔。该间隔形成位于所述第一保温壳体500与所述第二保温壳体600之间的真空环境，起到保温的作用。

作为一种可实施的方式，所述低温真空实验设备10还包括：呈筒状的，并套设于所述液氦容器100的液氮容器700。所述液氮容器700位于第二保温壳体600与设备壳体300之间。所述液氮容器700用于装载液氮，并向所述样品测量装置400提供液氮，以将所述样品测量装置400的温度冷却至实验所需的液氮温区(例如77k)。所述液氮容器700为内空的密封结构，其形状可以为多种，只要其能够提供一个用于装载液氮的密封容器即可。可以理解，所述液氮容器700呈筒状，其横截面形状可以为多种。例如其横截面形状与所述液氦容器100的形状适配。当所述液氦容器100为圆筒状时，所述液氮容器700也可以呈圆筒状。通过设置所述液氮容器700，使得本实施例的低温真空实验设备10能够适用于各种实验条件。

在一实施例中，所述低温真空实验设备10还包括套设于所述液氮容器700的第三保温壳体800。所述第三保温壳体800与所述液氮容器700之间，以及所述第三保温壳体800与所述设备壳体300之间均具有间隔。所述第三保温壳体800用于对所述液氮容器700起到保温作用，以隔绝所述液氮容器700与所述设备壳体300外部环境的热交换作用。

在一个实施例中，所述液氮容器700内可设有多个加强板710，多个加强板710沿液氮容器700的轴向间隔分布。所述多个加强板710用于加强所述液氮容器700的结构强度，避免所述液氮容器700侧壁的变形现象。可以理解，所述加强板710是用于加强所述液氮容器700的结构强度的，其上可设有多个供液氮通过的通孔，以避免将所述液氮容器700中的液氮分层。

作为一种可实施的方式，所述低温真空实验设备10还包括与所述设备壳体300连接的真空泵(未图示)。所述真空泵可以位于所述设备壳体300的下方。所述真空泵用于将由所述设备壳体300、所述连接法兰200，以及所述装置壳体410形成的可被抽真空的密封空间抽成真空。由此也将所述液氦容器100与所述第一保温壳体500之间，所述第一保温壳体500与所述第二保温壳体600之间，所述第二保温壳体600与所述液氮容器700之间，所述液氮容器700与所述第三保温壳体800之间，以及所述第三保温壳体800与所述设备壳体300之间均变成真空环境，从而使得所述第一保温壳体500、所述第二保温壳体600和所述第三保温壳体800发挥保温隔热的作用。

以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。

以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。