CN114739031B - 一种稀释制冷系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种稀释制冷系统，其中冷箱顶部的减震换热腔体中通过波纹管安装有小型低温制冷机；小型低温制冷机顶部悬吊固定，与减震换热腔体内壁无接触；小型低温制冷机中，一级冷端上连接有冷端一级换热器，二级冷端上连接有冷端二级换热器；冷端换热器外壁设有换热管，换热管两端分别为第一入口和第一出口；第一入口、第一出口、第一换热盘管、第一流阻、稀释单元、第一抽气管构成第一回路；第二入口、第二出口、第二换热盘管、第二流阻、1K腔、第二抽气管构成第二回路；第一、第二回路在1K腔中换热。本发明能够降低系统振动至1微米以下，同时在减震换热腔体内能够形成干、湿混合制冷冷源，为多回路冷媒气体提供预冷、液化，保证制冷效果。

Description

一种稀释制冷系统

技术领域

本发明属于低温制冷技术领域，具体涉及一种稀释制冷系统。

背景技术

稀释制冷是现阶段唯一能够持续提供极限温度环境(<20mK)的方法，其在混合室中将氦-3稀释入氦-4形成稀相混合液氦，产生对环境吸热的稀释制冷效应。如果氦-3/氦-4以6.6％的比例进行混合，在外界环境温度足够低的情况下，稀释制冷系统能够实现无限接近绝对零度(-273.15℃)的温度。当稀相混合液氦温度升高到0.6K(-272.55℃)，其中的氦-4仍然处于基态，其饱和蒸汽压基本为零(类似“真空”)，而液态氦-3在该温度下的饱和蒸汽压较液氦-4高千倍，因此氦-3能够通过系统外部泵组循环至系统入口，再次经过预冷、换热进入混合室，形成连续运行的稀释制冷过程。

混合室作为稀释制冷系统中温度最低的部分，影响其温度的主要因素为各类持续输入系统的热量，包括由于震动产生的热。为了实现极低温实验条件，需要限制外界环境对氦-3/氦-4稀释过程输入的热量，因此一方面需要对输入混合室的液态氦-3进行充分预冷，降至足够低的温度，另一方面需要最大限度减小系统的振动。

市面上作为稀释制冷系统冷源的稀释制冷机分为湿式和干式两种，其中湿式稀释制冷机采用储存在低温杜瓦中的液氦-4作为冷源，通过汽化液氦-4为稀释制冷循环提供有限的冷量，优点主要在于振动很低，但是代价为运行过程中需消耗大量液氦-4(80-100升/周)；此外，系统大小受到杜瓦敞口尺寸的限制，无法满足复杂实验的需求。

近几十年来，随着小型低温制冷机的快速发展，采用干式稀释制冷机的稀释制冷系统得到越来越多地应用。吉福德-麦克马洪(GM)制冷机和脉冲管(Pulse-tube)制冷机是两类能够实现4K温度，同时提供瓦级冷量的小型低温制冷机。GM制冷机由于内部活塞的往复运动产生几十微米的振动水平，而脉冲管虽然没有运动部件，但是配气阀及其产生的运动气流也会产生微米级振动。因此，现阶段应用广泛的干式稀释制冷机主要使用脉冲管制冷机，同时通过隔离配气阀实现亚微米级别的震动水平。

发明内容

发明目的：本发明的目的是提出一种震动更小的稀释制冷系统。

技术方案：本发明所述的稀释制冷系统，包括冷箱，冷箱顶部设有减震换热腔体；减震换热腔体中通过波纹管真空密封安装有小型低温制冷机，作为系统冷源；小型低温制冷机顶部悬吊固定，小型低温制冷机与减震换热腔体内壁无接触。

本发明中，小型低温制冷机悬吊设置，且小型低温制冷机与减震换热腔体内壁无接触，同时波纹管也有隔绝振动的作用，从而可最大限度降低由小型低温制冷机传导至冷箱的振动，避免因振动引起的热量输入导致的系统最低温度的升高。本发明能够使系统达到远低于1微米振动的优异性能。

进一步地，小型低温制冷机至少有两级冷端，包括一级冷端和二级冷端，一级冷端上连接有冷端一级换热器，二级冷端上连接有冷端二级换热器；减震换热腔体的腔体壁板上设有腔体一级换热器和腔体二级换热器，腔体一级换热器与冷端一级换热器不接触，腔体二级换热器与冷端二级换热器不接触；

冷箱中还设有第二流阻、1K腔和第一流阻，腔体一级换热器和腔体二级换热器外壁设有换热管，换热管伸出冷箱的一端为第一入口，换热管另一端为第一出口；减震换热腔体上部设有与其内腔连通的第二入口，减震换热腔体底部设有第二出口；1K腔连接有第二抽气管，冷箱内的稀释单元上连接有第一抽气管；第二抽气管中设有第二换热盘管，第一抽气管中设有第一换热盘管；

第一入口、第一出口、第一换热盘管、第一流阻、稀释单元、第一抽气管构成第一回路；第二入口、第二出口、第二换热盘管、第二流阻、1K腔、第二抽气管构成第二回路；第一、第二回路在1K腔中换热；第一回路冷媒为氦-3、氦-4混合气；第二回路冷媒为氦-4气体。

本技术方案中，在减震换热腔体外部设置有多路盘管，可实现多通道冷媒气体预冷、液化，冷媒气体通过第一回路在减震换热腔体外部腔体一级、二级换热器上进行换热，通过第二回路在在减震换热腔体内部进行换热，减震换热腔体外部和内部均可为系统提供预冷，换热结构紧凑。腔体内，氦-4在第二出口处温度能降低至5K以下，并在减震换热腔体内形成少量液氨，形成干、湿并存的混合制冷冷源，在停电条件下能够保证系统一定时间内的稳定循环，无需添加外部液氦。氦-4经第二流阻节流后温度低于2K，在1K腔中能够继续为氦-3、氦-4混合气提供预冷，制冷效果好。回路通过抽气形成，负压运行下，冷媒不易泄露。此外，减震换热腔体与冷箱内真空环境完全隔离，可防止减震换热腔体内的冷媒气体发生泄漏，进入冷箱真空环境，达到冷媒气体无损闭循环的效果。

可选地，小型低温制冷机至少有两级冷端，包括一级冷端和二级冷端，一级冷端上连接有冷端一级换热器，二级冷端上连接有冷端二级换热器；减震换热腔体的腔体壁板上设有腔体一级换热器和腔体二级换热器，腔体一级换热器与冷端一级换热器不接触，腔体二级换热器与冷端二级换热器不接触；冷箱中还设有第一流阻，减震换热腔体上部设有与其内腔连通的第二入口，减震换热腔体底部设有第二出口；冷箱内的稀释单元上连接有第一抽气管，第一抽气管中设有第一换热盘管；第二入口、第二出口、第一换热盘管、第一流阻、稀释单元、第一抽气管构成回路；回路冷媒为氦-3、氦-4混合气。

本技术方案中，不再设置单独的氦-4回路，能够高效利用小型低温制冷机的制冷能力，大幅增加系统流量，提高稀释制冷能力。

以上技术方案中，波纹管采用金属波纹管或橡胶波纹管。腔体壁板采用采用不锈钢、钛合金等低热导率材料，结构形式为直管或波纹管。腔体壁板与腔体一级换热器和腔体二级换热器之间采用焊接、锡焊钎焊或者铟丝密封等方式相连，形成真空密封腔体。

进一步地，减震换热腔体通过其顶部的腔体室温法兰与冷箱顶部的冷箱室温法兰连接；冷箱内设置有多级冷盘和多级冷屏，形成多层低温腔体；腔体一级换热器与最上层的一级冷盘相连接，腔体二级换热器与次上层的二级冷盘相连接，在冷箱内形成高真空密封环境。腔体一级换热器为一级冷盘提供降温，腔体二级换热器为二级冷盘提供降温。减震换热腔体与冷箱法兰连接，方便在小型低温制冷机需要维护或者更换时能够轻易取出。

优选地，腔体换热器与对应冷盘间采用硬连接固定或采用导热软链连接。

进一步地，腔体一级换热器与冷端一级换热器、腔体二级换热器与冷端二级换热器之间采用交错翅片、叉指或套环换热结构。冷端一级换热器、冷端二级换热器、腔体一级换热器和腔体二级换热器采用铜、铝、银、金等高纯高热导率材料制作。

进一步地，腔体换热器与冷端换热器间的距离为0.01～5mm。

进一步地，流阻采用毛细管或低温阀，毛细管为固定流阻，而低温阀流阻可调。通过第一流阻可以控制进入稀释单元(蒸发室)的液氦温度。通过第二流阻可以控制1K腔运行温度。

进一步地，小型低温制冷机顶部固定有支撑杆，支撑杆固定在支架上，该支架固定在加固地面或者低振动平台上。支撑杆与支架采用铝合金或不锈钢材质。

进一步地，小型低温制冷机采用吉福德-麦克马洪(GM)制冷机或脉冲管(Pulse-tube)制冷机。

有益效果：本发明与现有技术相比，具有如下显著优点：本发明基于减震换热腔体结构将小型低温制冷机与冷箱分离，能够将系统振动降低至远低于1微米。

附图说明

图1是减震换热腔体的结构示意图；

图2是实施例一中，稀释制冷系统的结构示意图；

图3是实施例二中，稀释制冷系统的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步详细说明。

实施例一

如图1和图2所示，一种稀释制冷系统，包括冷箱14，该冷箱14内部设有一级冷盘15、二级冷盘17、三级冷盘19、四级冷盘21、五级冷盘22和六级冷盘23，以及一级冷屏16、二级冷屏18、三级冷屏20和四级冷屏24。冷箱14顶部设有冷箱室温法兰13。冷箱14顶部设有减震换热腔体31，该减震换热腔体31由腔体一级换热器4、腔体二级换热器5和腔体壁板35拼装焊接而成，在减震换热腔体31顶部设有腔体室温法兰36。减震换热腔体31从冷箱14顶部自上而下插入，通过腔体室温法兰36与冷箱室温法兰13连接，并且腔体一级换热器4与一级冷盘15相连接，腔体二级换热器5与二级冷盘17相连接，在冷箱14中形成真空密封腔体。

小型低温制冷机1插入至减震换热腔体31中，并通过波纹管2与减震换热腔体31周向连接，减震换热腔体31内同样地形成真空密封环境。小型低温制冷机1有两级冷端，包括一级冷端33和二级冷端34，一级冷端33上连接有冷端一级换热器37，二级冷端34上连接有冷端二级换热器38；小型低温制冷机1顶部通过支撑杆28和支架29构成的支架系统进行固定，使腔体一级换热器4与冷端一级换热器37不接触，腔体二级换热器5与冷端二级换热器38不接触，实现小型低温制冷机1与冷箱14之间的振动隔绝；冷箱14中还设有第二流阻6、1K腔7和第一流阻8，腔体一级换热器4和腔体二级换热器5外壁设有换热管，换热管伸出冷箱14的一端为第一入口3，换热管另一端为第一出口41；减震换热腔体31上部设有与其内腔连通的第二入口25，减震换热腔体31底部设有第二出口40；1K腔7连接有第二抽气管26，冷箱14内的稀释单元上连接有第一抽气管27；第二抽气管26中设有第二换热盘管39，第一抽气管27中设有第一换热盘管32。

第一回路，冷媒采用氦-3、氦-4混合气，从第一入口3进入冷箱14，通过换热管在腔体一级换热器4和腔体二级换热器5外壁换热之后，部分液化后经过第一抽气管27内的第一换热盘管32在1K腔7内换热，之后通过第一流阻8节流，流入稀释单元(包括蒸发室9、套管式换热器10、阶梯式换热器11及混合室12)，再由第一抽气管27通过循环泵抽出回到第一入口3。第二回路，采用冷媒气体氦-4，从第二入口25进入冷箱14，经过一级冷端33、二级冷端34、腔体一级换热器4和腔体二级换热器5的预冷，将冷媒气体温度降至5K以下，在腔体内形成少量液氦。之后，经过第二流阻6节流，流入1K腔7，形成低于2K的低温冷源，继续为氦-3、氦-4混合气提供预冷。1K腔7内蒸发的冷媒气体再由第二抽气管26通过循环泵抽出，回到第二入口25。本实施例中，一级冷盘15温度在30～70K之间，二级冷盘17温度在2～5K之间。

实施例二

与实施例一的不同在于，取消了三级冷盘19、三级冷屏20以及设置在腔体换热器4、5外壁的换热管，不再设置单独的氦-4回路。冷媒氦-3、氦-4混合气直接从第二入口25进入减震换热腔体31中，经过一级冷端33、二级冷端34、腔体一级换热器4和腔体二级换热器5的换热后进入第一抽气管27内的第一换热盘管32，再经第一流阻8节流后流入稀释单元(包括蒸发室9、套管式换热器10、阶梯式换热器11及混合室12)，最后由第一抽气管27通过循环泵抽出回到第一入口3。

本发明基于这种特殊的减震换热腔体，一方面能够构建多级高效热传导，为冷媒气体进行预冷；另一方面能够实现小型低温制冷机与冷箱不接触式隔振，保证制冷效果。

Claims (7)

1.一种稀释制冷系统，包括冷箱（14），其特征在于：冷箱（14）顶部设有减震换热腔体（31）；减震换热腔体（31）中通过波纹管（2）真空密封安装有小型低温制冷机（1），作为系统冷源；小型低温制冷机（1）顶部悬吊固定，小型低温制冷机（1）与减震换热腔体（31）内壁无接触；

小型低温制冷机（1）至少有两级冷端，包括一级冷端（33）和二级冷端（34），一级冷端（33）上连接有冷端一级换热器（37），二级冷端（34）上连接有冷端二级换热器（38）；减震换热腔体（31）的腔体壁板（35）上设有腔体一级换热器（4）和腔体二级换热器（5），腔体一级换热器（4）与冷端一级换热器（37）不接触，腔体二级换热器（5）与冷端二级换热器（38）不接触；

冷箱（14）中还设有第二流阻（6）、1K腔（7）和第一流阻（8），腔体一级换热器（4）和腔体二级换热器（5）外壁设有换热管，换热管伸出冷箱（14）的一端为第一入口（3），换热管另一端为第一出口（41）；减震换热腔体（31）上部设有与其内腔连通的第二入口（25），减震换热腔体（31）底部设有第二出口（40）；1K腔（7）连接有第二抽气管（26），冷箱（14）内的稀释单元上连接有第一抽气管（27）；第二抽气管（26）中设有第二换热盘管（39），第一抽气管（27）中设有第一换热盘管（32）；

第一入口（3）、第一出口（41）、第一换热盘管（32）、第一流阻（8）、稀释单元、第一抽气管（27）构成第一回路；第二入口（25）、第二出口（40）、第二换热盘管（39）、第二流阻（6）、1K腔（7）、第二抽气管（26）构成第二回路；第一、第二回路在1K腔（7）中换热；第一回路冷媒为氦-3、氦-4混合气；第二回路冷媒为氦-4气体。

2.根据权利要求1所述的稀释制冷系统，其特征在于：减震换热腔体（31）通过其顶部的腔体室温法兰（36）与冷箱（14）顶部的冷箱室温法兰（13）连接；冷箱（14）内设置有多级冷盘和多级冷屏，形成多层低温腔体；腔体一级换热器（4）与最上层的一级冷盘（15）相连接，腔体二级换热器（5）与次上层的二级冷盘（17）相连接。

3.根据权利要求1所述的稀释制冷系统，其特征在于：腔体一级换热器（4）与冷端一级换热器（37）、腔体二级换热器（5）与冷端二级换热器（38）之间采用交错翅片、叉指或套环换热结构。

4.根据权利要求3所述的稀释制冷系统，其特征在于：腔体换热器与冷端换热器间的距离为0.01~5mm。

5.根据权利要求1所述的稀释制冷系统，其特征在于：流阻采用毛细管或低温阀。

6.根据权利要求1所述的稀释制冷系统，其特征在于：小型低温制冷机（1）顶部固定有支撑杆（28），支撑杆（28）固定在支架（29）上，该支架（29）固定在加固地面或者低振动平台上。

7.根据权利要求1所述的稀释制冷系统，其特征在于：小型低温制冷机（1）采用吉福德-麦克马洪制冷机或脉冲管制冷机。