本發(fā)明屬于低溫制冷設(shè)備技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種機(jī)械振動隔離的液氦再凝聚低溫制冷系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

低溫環(huán)境指低于-180°C（93.15 K）的環(huán)境，它在物理、化學(xué)、材料、生物、國防、信息等領(lǐng)域有重要應(yīng)用。隨著科技發(fā)展，前沿精密的科學(xué)研究和技術(shù)應(yīng)用不但需要接近極低溫（4.2 K）的環(huán)境，而且還需要低振動和超高真空環(huán)境。目前絕大多數(shù)滿足以上指標(biāo)的低溫制冷設(shè)備需要消耗資源稀缺且價格昂貴的液氦，運(yùn)行成本較大。為了擺脫低溫制冷設(shè)備對液氦的極度依賴，近期已有機(jī)械振動隔離的無液氦消耗低溫制冷系統(tǒng)（ZL 201610002349.8）。這種低溫制冷系統(tǒng)采用無液氦消耗的閉循環(huán)制冷機(jī)制冷，解決了傳統(tǒng)低溫設(shè)備消耗大量液氦的問題；采用氦氣熱交換氣作為導(dǎo)熱媒介，在致冷降溫的同時還能有效隔絕制冷機(jī)振動。然而閉循環(huán)制冷機(jī)的工作原理導(dǎo)致制冷功率會周期性變化，且通過氦氣熱交換氣的致冷隔振技術(shù)仍存在隔振界面上制冷功率低、溫度波動較大等局限性。這些原因?qū)е聼o液氦消耗低溫制冷系統(tǒng)的制冷效率和溫度穩(wěn)定性仍低于消耗液氦的低溫制冷系統(tǒng)。所以開發(fā)一種溫度穩(wěn)定性高且實現(xiàn)機(jī)械振動隔離的幾乎不消耗液氦的低溫制冷系統(tǒng)具有重大意義。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于提供一種機(jī)械振動隔離的、溫度波動小、制冷功率高的，且?guī)缀鯚o氦氣和液氦消耗的低溫制冷系統(tǒng)，即一種機(jī)械振動隔離的液氦再凝聚低溫制冷系統(tǒng)。該系統(tǒng)的運(yùn)行能與低振動環(huán)境和超高真空環(huán)境相兼容。

本發(fā)明提供的機(jī)械振動隔離的液氦再凝聚低溫制冷系統(tǒng)，包括：閉循環(huán)制冷機(jī)系統(tǒng)，液氦再凝聚致冷隔振系統(tǒng)和溫度反饋控制系統(tǒng)。其中，所述閉循環(huán)制冷機(jī)系統(tǒng)包括：制冷頭、壓縮機(jī)，以及連接壓縮機(jī)與制冷頭的氦氣輸送管道；所述液氦再凝聚致冷隔振系統(tǒng)包括：致冷隔振界面、氦氣熱交換氣、再凝聚產(chǎn)生的液氦，以及用于密封氦氣和隔離振動的軟橡膠等；所述溫度反饋控制系統(tǒng)由測溫元件、加熱元件和反饋控溫電路組成。

所述液氦再凝聚致冷隔振系統(tǒng)中，閉循環(huán)制冷機(jī)的制冷頭伸入致冷隔振界面內(nèi)，制冷頭和致冷隔振界面間填充氦氣熱交換氣體作為致冷降溫媒質(zhì)；所述軟橡膠連接密封致冷隔振界面的上端和制冷頭，其密封氦氣交換氣的同時能夠隔離制冷頭的低頻機(jī)械振動；由于制冷頭最低溫端的溫度低于4.2 K，氦氣熱交換氣在致冷隔振界面內(nèi)再凝聚形成液氦。再凝聚形成的液氦有較大的潛熱，它極大地提高了制冷頭和致冷隔振界面的換熱能力，從而使得本發(fā)明提供的一種機(jī)械振動隔離的液氦再凝聚低溫制冷系統(tǒng)在獲得低溫低振動環(huán)境的同時，有極好的制冷能力和溫度穩(wěn)定性。

所述溫度反饋控制系統(tǒng)中，加熱元件設(shè)置在致冷隔振界面的低溫端，測溫元件設(shè)置在致冷隔振界面上，高度覆蓋再凝聚形成的液氦的水平投影面。所述測溫元件用于間接測量再凝聚形成液氦的液面高度，反饋控溫電路用于控制加熱元件的輸出功率。通過溫度反饋控制系統(tǒng)可以調(diào)節(jié)液氦液面的高度，避免因液氦液面與制冷頭直接接觸而引入的振動；溫度反饋控制系統(tǒng)還可以實現(xiàn)大范圍的變溫。

本發(fā)明中，在致冷隔振界面上還可設(shè)有熱輻射屏蔽罩，用于屏蔽高溫輻射導(dǎo)致的漏熱。

本發(fā)明中，為使本發(fā)明提供的機(jī)械振動隔離的液氦再凝聚低溫制冷系統(tǒng)與用戶的超高真空環(huán)境所需的高溫烘烤條件兼容，所述液氦再凝聚致冷隔振系統(tǒng)可以采用不銹鋼和無氧銅等材料以及與超高真空兼容的焊接和密封技術(shù)。

本發(fā)明中，閉循環(huán)制冷機(jī)的類型包括但不限于吉福特-麥克馬洪制冷機(jī)、斯特林式制冷機(jī)、脈管式制冷機(jī)以及基于這些原理的改良型制冷機(jī)等。閉循環(huán)制冷機(jī)的制冷功率和最低溫度根據(jù)制冷機(jī)的工作原理和型號有所區(qū)別。

本發(fā)明具有以下有益效果：

1.本發(fā)明采用的閉循環(huán)制冷機(jī)和液氦再凝聚致冷隔振系統(tǒng)的運(yùn)行幾乎無氦氣和液氦消耗。這種方案解決了傳統(tǒng)低溫制冷設(shè)備需要消耗資源稀缺、價格昂貴的液氦的問題。

2.本發(fā)明利用再凝聚技術(shù)液化部分氦氣熱交換氣在低溫端生成液氦，極大提高了系統(tǒng)的制冷功率和溫度穩(wěn)定性。這種方案解決了傳統(tǒng)閉循環(huán)制冷機(jī)在低溫時溫度波動大的問題。

3.本發(fā)明采用的氦氣熱交換氣致冷隔振界面有效的隔絕了閉循環(huán)制冷機(jī)工作時的低頻機(jī)械振動，這種方案同時提供了低溫和低振動的工作環(huán)境。

4.本發(fā)明采用的溫度反饋控制系統(tǒng)可以實現(xiàn)液氦液面控制，還能實現(xiàn)大范圍的變溫操作。

5.本發(fā)明提供的在幾乎無氦氣和液氦消耗的條件下實現(xiàn)低溫低振動的方案也可以在超高真空環(huán)境中工作，可以承受實現(xiàn)超高真空環(huán)境需要的高溫烘烤。

附圖說明

圖1是本發(fā)明提出的機(jī)械振動隔離的液氦再凝聚低溫制冷系統(tǒng)裝置的原理示意圖。

圖2是閉循環(huán)制冷機(jī)中的制冷頭部件、液氦再凝聚致冷隔振系統(tǒng)的實施例裝配體剖面圖。

圖3是溫度反饋控制系統(tǒng)的實施例裝配體示意圖。

圖中標(biāo)號：1-閉循環(huán)制冷機(jī)系統(tǒng)，2-液氦再凝聚致冷隔振系統(tǒng)，3-用戶的樣品或設(shè)備，4-溫度反饋控制系統(tǒng)，5-真空腔體，6-制冷頭，7--致冷隔振界面，8-氦氣熱交換氣，9-液化或再凝聚形成的液氦，10-實驗樣品或設(shè)備，11-熱屏蔽罩，12-軟橡膠，13-加熱元件，14-第一測溫元件，15-第二測溫元件。

具體實施方式

為了使本發(fā)明的使用更加清楚明了，下面結(jié)合具體實施例，并參照附圖，對本發(fā)明做進(jìn)一步詳細(xì)說明。

本發(fā)明裝置包括：閉循環(huán)制冷機(jī)系統(tǒng)1，液氦再凝聚致冷隔振系統(tǒng)2；溫度反饋控制系統(tǒng)4。其中，

閉循環(huán)制冷機(jī)系統(tǒng)1包括：閉循環(huán)制冷頭6、壓縮機(jī)和氦氣輸送管道等。液氦再凝聚致冷隔振系統(tǒng)2包括：致冷隔振界面7、氦氣熱交換氣8、再凝聚形成的液氦9、熱屏蔽罩11和軟橡膠12等。

溫度反饋控制系統(tǒng)3包括：加熱元件13、第一測溫元件14和第二測溫元件15。

所述液氦再凝聚致冷隔振系統(tǒng)中，閉循環(huán)制冷機(jī)系統(tǒng)的制冷頭6伸入致冷隔振界面7內(nèi)，制冷頭和致冷隔振界面間填充氦氣熱交換氣8作為致冷降溫媒質(zhì)。所述軟橡膠12連接密封致冷隔振界面的上端和制冷頭，其密封氦氣交換氣的同時能夠隔離制冷頭的低頻機(jī)械振動。氦氣熱交換氣在閉循環(huán)制冷頭的制冷作用下會在致冷隔振界面內(nèi)再凝聚生成液氦，從而極大提高制冷頭和致冷隔振界面間的制冷能力和溫度穩(wěn)定性。所述熱輻射屏蔽罩11固定在致冷隔振界面上，用于屏蔽高溫輻射導(dǎo)致的漏熱。

所述溫度反饋控制系統(tǒng)由加熱元件13、第一測溫元件14、第二測溫元件15和反饋控溫電路組成。其中，第一測溫元件13和第二測溫元件14分別設(shè)置在液氦水平投影面的下端和上端。通過測量第一和第二測溫元件的溫度，并結(jié)合反饋控制，可以控制致冷隔振界面內(nèi)液氦的高度：當(dāng)致冷隔振界面內(nèi)沒有液氦時，第一和第二測溫元件的溫度均高于氦氣的相變點溫度（4.2 K左右）；當(dāng)制冷隔振界面內(nèi)的液氦液面在第一和第二測溫元件之間時，第一測溫元件的溫度等于相變點溫度，第二測溫元件的溫度高于相變點溫度；當(dāng)液氦液面高于第二測溫元件時，第一和第二測溫元件的溫度均等于相變點溫度。此外，通過溫度反饋控制系統(tǒng)還可以實現(xiàn)大范圍的變溫操作。

在本實施例中，采用閉循環(huán)制冷機(jī)系統(tǒng)解決了傳統(tǒng)低溫制冷運(yùn)行需要大量液氦的問題；采用氦氣熱交換氣致冷隔振界面解決了傳統(tǒng)制冷機(jī)運(yùn)行產(chǎn)生的微米級及以上的低頻機(jī)械振動的問題；采用液氦再凝聚技術(shù)解決了傳統(tǒng)閉循環(huán)制冷機(jī)在低溫下溫度波動大的問題；采用溫度反饋控制系統(tǒng)進(jìn)行反饋控溫，不但可以控制致冷隔振界面內(nèi)再凝聚形成的液氦液面高度，還可以實現(xiàn)大范圍變溫操作；采用不銹鋼和無氧銅等材料制成真空環(huán)境中的致冷隔振界面，與超高真空環(huán)境所需的高溫烘烤條件相兼容。

以上所述的具體實施例，對本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和有益效果作了進(jìn)一步的描述說明。所應(yīng)理解的是，以上所述僅為本發(fā)明的具體實施例而已，并不限于本發(fā)明。凡是在本發(fā)明精神和原則之內(nèi)，所做的任何修改、等同替換和改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。