一种闭式循环样品测试变温系统的制作方法-尊龙凯时官方app下载

文档序号:36405637发布日期:2023-12-16 11:58阅读:16来源:国知局
一种闭式循环样品测试变温系统的制作方法

1.本发明涉及制冷变温技术领域,特别涉及一种闭式循环样品测试变温系统



背景技术:

2.超低温是一种应用于超导

物理

化学

材料

量子等领域实验的重要辅助技术

为了测量样品材料从室温至极低温的温区物理特性,目前的技术是利用液氦在较低的饱和压力下温度从
4.2k
会进一步降低的特性,通过直接对系统内的液氦抽气减压的方式实现
1k
左右的温度

以循环方式可以分为开式循环和闭式循环两种,其中开式循环对氦气资源的消耗较大,因此一般研究闭式循环

3.现有的闭式循环制冷变温技术中,专利公开号为
cn115585606a


无液氦闭式循环样品测试用低温系统

通过储气罐

循环泵

输气管路的设置使整个系统形成闭式循环,在运行时无氦气损耗,避免了开式液氦系统的操作难度

氦气的浪费,降低了成本,液氦经过流阻元件节流降温形成超流氦,超流氦蒸发形成的超低温氦蒸汽,对样品腔内的样品进行流动冷却,使样品浸泡在流动氦气中,保证了样品温度均匀度,提高了控变温灵敏度,降低了样品的最低温度,提高了试验可控温度区间

4.然而,上述现有技术的闭式循环中,液氦必须要经过流阻元件,样品冷却速度有待提高;其次,上述现有技术在冷却样本时,超流氦蒸汽从样品腔内直接被抽至常温端,通过抽空阀和循环泵进入循环,无法与预冷的氦气进行有效换热,冷量回收利用率较低,进而系统运行效率较低;此外,在进行样品更换时,上述现有技术需通过补气接头对样品腔内充入高纯氦气,直至有连续氦气不断吹出时进行样品更换,不仅会造成氦气资源浪费,同时也会对系统温度产生影响



技术实现要素:

5.本发明实施例提供了一种闭式循环样品测试变温系统,用以解决现有技术中没有比较可靠的针对样品冷却速度有待提高,冷量回收利用率较低,系统运行效率较低,以及样品更换会对系统温度产生影响的问题

6.一方面,本发明实施例提供了一种闭式循环样品测试变温系统,包括:制冷机

真空容器

一级冷屏

二级冷屏

样品腔

循环泵组

高压储气罐

旁路管道

主路高压管道

主路低压管道

储液罐

流阻器

低压储气罐和控制器

7.所述制冷机伸入所述真空容器,所述制冷机的一级冷头和二级冷头分别与所述一级冷屏

所述二级冷屏接触导冷,所述制冷机的一级冷头和二级冷头还与所述样品腔导冷连接

8.所述循环泵组连接所述高压储气罐,所述高压储气罐通过所述旁路管道连接所述储液罐,所述高压储气罐还依次通过所述主路高压管道

所述流阻器连接所述储液罐,所述储液罐连接所述样品腔

9.所述样品腔连接所述主路低压管道,所述主路低压管道连接所述低压储气罐,所
述低压储气罐连接所述循环泵组

10.所述控制器分别与所述制冷机

所述循环泵组电连接

11.在一种可能的实现方式中,所述一级冷屏上端面安装有一级预冷换热器,所述二级冷屏上端面安装有二级预冷换热器,所述制冷机的一级冷头和二级冷头还分别与所述一级预冷换热器

所述二级预冷换热器导冷连接

12.所述一级预冷换热器和所述二级预冷换热器均包含有左侧流道和右侧流道,所述一级预冷换热器和所述二级预冷换热器的左侧流道位于所述旁路管道中,所述一级预冷换热器和所述二级预冷换热器的右侧流道位于所述主路高压管道中

13.在一种可能的实现方式中,所述旁路管道包括:旁路一级螺线管和旁路二级螺线管;所述旁路一级螺线管和所述旁路二级螺线管均采用单管螺旋结构

14.所述旁路一级螺线管

所述一级预冷换热器的左侧流道

所述旁路二级螺线管

所述二级预冷换热器的左侧流道依次连接,构成所述旁路管道

15.在一种可能的实现方式中,所述主路高压管道和所述主路低压管道共同包括:主路一级回热器

主路二级回热器和主路三级回热器;所述主路一级回热器

所述主路二级回热器和所述主路三级回热器均采用同心双管螺旋结构

16.所述主路一级回热器的内管

所述一级预冷换热器的右侧流道

所述主路二级回热器的内管

所述二级预冷换热器的右侧流道

所述主路三级回热器的内管依次连接,构成所述主路高压管道

17.所述主路一级回热器的内外管夹层

所述主路二级回热器的内外管夹层

所述主路三级回热器的内外管夹层依次连接,构成所述主路低压管道

18.在一种可能的实现方式中,所述样品腔包括:蒸发器

低压波纹管

插板阀和过渡真空腔

19.所述蒸发器的上部与所述低压波纹管的下部连接并连通,所述低压波纹管的上部穿过所述真空容器的上端面,并连接所述插板阀,所述插板阀的上部连接所述过渡真空腔

20.所述制冷机的一级冷头和二级冷头与所述低压波纹管侧面导冷连接,所述储液罐连接所述蒸发器的侧面,所述低压波纹管的侧面下部连接所述主路低压管道

21.在一种可能的实现方式中,所述蒸发器

所述低压波纹管

所述插板阀和所述过渡真空腔的共同轴线上设置有样品杆,所述样品杆下部安装有样品,所述样品下部安装有加热器

22.所述控制器还与所述加热器电连接

23.在一种可能的实现方式中,所述低压波纹管的侧面上部连接有氦气回路电磁阀,所述过渡真空腔的侧面连接有真空腔电磁阀,所述氦气回路电磁阀和所述真空腔电磁阀共同连接有真空泵组

24.所述控制器还分别与所述氦气回路电磁阀

所述真空腔电磁阀

所述真空泵组电连接

25.在一种可能的实现方式中,所述高压储气罐和所述主路高压管道之间还依次连接有总流量计和主路计量阀

26.所述总流量计和所述旁路管道之间依次连接有旁路流量计和旁路计量阀

27.所述控制器还分别与所述总流量计

所述主路计量阀

所述旁路流量计

所述旁路
计量阀电连接

28.本发明中的一种闭式循环样品测试变温系统,具有以下优点:通过旁路管道和主路低压管道实现旁路循环,在不经过流阻器的情况下提高了样品冷却速度;通过主路低压管道对样品腔低温氦气进行回收,提高了系统运行效率;通过流阻器

储液罐

主路低压管道和低压储气罐对样品腔进行降压而不是直接抽真空,减小了低压波纹管内的压力波动和温度波动;提出的主路一级回热器

主路二级回热器和主路三级回热器均采用同心双管螺旋结构,通过内管气体与内外管夹层气体的逆向流动,提高了主路高压管道气体和主路低压管道气体的换热效率和冷量回收利用率;提出的制冷机的一级冷头和二级冷头与低压波纹管侧面导冷连接,形成低压波纹管内部阶段性梯度的温度分布,减小了轴向传导漏热;提出的氦气回路电磁阀和真空腔电磁阀,通过与插板阀相配合,降低了样品更换对样品腔和系统温度的影响;提出的主路计量阀和旁路计量阀,通过与流阻器相配合,实现不同温区的控温,提高了控温精度

附图说明
29.为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案,下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍,显而易见地,下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例,对于本领域普通技术人员来讲,在不付出创造性劳动的前提下,还可以根据这些附图获得其他的附图

30.图1为本发明实施例提供的一种闭式循环样品测试变温系统的结构示意图;图2为本发明实施例提供的一级预冷换热器的剖面示意图;图3为本发明实施例提供的主路一级回热器的剖面示意图

31.附图标记说明:
1-制冷机,
2-真空容器,
3-一级冷屏,
4-二级冷屏,
5-循环泵组,
6-高压储气罐,
7-储液罐,
8-流阻器,
9-低压储气罐,
10-控制器,
11-一级软连接带,
12-二级软连接带,
13-一级预冷换热器,
14-二级预冷换热器,
15-旁路一级螺线管,
16-旁路二级螺线管,
17-主路一级回热器,
18-主路二级回热器,
19-主路三级回热器,
20-蒸发器,
21-低压波纹管,
22-插板阀,
23-过渡真空腔,
24-样品杆,
25-样品,
26-加热器,
27-氦气回路电磁阀,
28-真空腔电磁阀,
29-真空泵组,
30-总流量计,
31-主路计量阀,
32,-旁路流量计,
33-旁路计量阀

具体实施方式
32.下面将结合本发明实施例中的附图,对本发明实施例中的技术方案进行清楚

完整地描述,显然,所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例,而不是全部的实施例

基于本发明中的实施例,本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例,都属于本发明保护的范围

33.如图1所示,本发明实施例提供了一种闭式循环样品测试变温系统,包括:制冷机
1、
真空容器
2、
一级冷屏
3、
二级冷屏
4、
样品腔

循环泵组
5、
高压储气罐
6、
旁路管道

主路高压管道

主路低压管道

储液罐
7、
流阻器
8、
低压储气罐9和控制器
10。
34.所述制冷机1伸入所述真空容器2,所述制冷机1的一级冷头和二级冷头分别与所述一级冷屏
3、
所述二级冷屏4接触导冷,所述制冷机1的一级冷头和二级冷头还与所述样品
腔导冷连接

35.所述循环泵组5连接所述高压储气罐6,所述高压储气罐6通过所述旁路管道连接所述储液罐7,所述高压储气罐6还依次通过所述主路高压管道

所述流阻器8连接所述储液罐7,所述储液罐7连接所述样品腔

36.所述样品腔连接所述主路低压管道,所述主路低压管道连接所述低压储气罐9,所述低压储气罐9连接所述循环泵组
5。
37.所述控制器
10
分别与所述制冷机
1、
所述循环泵组5电连接

38.具体地,真空容器2采用真空杜瓦,一级冷屏3和二级冷屏4均采用导热金属材料,一级冷屏3设置于真空容器2内部,二级冷屏4设置于一级冷屏3内部,制冷机1的一级冷头和二级冷头分别通过一级软连接带
11
和二级软连接带
12
与样品腔导冷连接

39.高压储气罐6中的氦气通过旁路管道进入储液罐7,和
/
或通过主路高压管道

流阻器8进入储液罐7,再从储液罐7进入样品腔

在循环泵组5的作用下,样品腔中的氦气通过主路低压管道被抽送进入低压储气罐9,并泵送增压进入高压储气罐
6。
储液罐7储存有液氦

循环泵组采用干泵压缩机组

40.如图2所示,示例性地,所述一级冷屏3上端面安装有一级预冷换热器
13
,所述二级冷屏4上端面安装有二级预冷换热器
14
,所述制冷机1的一级冷头和二级冷头还分别与所述一级预冷换热器
13、
所述二级预冷换热器
14
导冷连接

41.所述一级预冷换热器
13
和所述二级预冷换热器
14
均包含有左侧流道和右侧流道,所述一级预冷换热器
13
和所述二级预冷换热器
14
的左侧流道位于所述旁路管道中,所述一级预冷换热器
13
和所述二级预冷换热器
14
的右侧流道位于所述主路高压管道中

42.一级预冷换热器
13
和二级预冷换热器
14
的结构相同

43.具体地,制冷机1的一级冷头和二级冷头分别通过一级软连接带
11
和二级软连接带
12
与一级预冷换热器
13、
二级预冷换热器
14
导冷连接

44.示例性地,所述旁路管道包括:旁路一级螺线管
15
和旁路二级螺线管
16
;所述旁路一级螺线管
15
和所述旁路二级螺线管
16
均采用单管螺旋结构

45.所述旁路一级螺线管
15、
所述一级预冷换热器
13
的左侧流道

所述旁路二级螺线管
16、
所述二级预冷换热器
14
的左侧流道依次连接,构成所述旁路管道

46.具体地,高压储气罐6中的氦气从旁路一级螺线管
15
上端进入旁路管道,从二级预冷换热器
14
的左侧流道下端流出旁路管道,进入储液罐
7。
47.如图3所示,示例性地,所述主路高压管道和所述主路低压管道共同包括:主路一级回热器
17、
主路二级回热器
18
和主路三级回热器
19
;所述主路一级回热器
17、
所述主路二级回热器
18
和所述主路三级回热器
19
均采用同心双管螺旋结构

48.所述主路一级回热器
17
的内管

所述一级预冷换热器
13
的右侧流道

所述主路二级回热器
18
的内管

所述二级预冷换热器
14
的右侧流道

所述主路三级回热器
19
的内管依次连接,构成所述主路高压管道

49.所述主路一级回热器
17
的内外管夹层

所述主路二级回热器
18
的内外管夹层

所述主路三级回热器
19
的内外管夹层依次连接,构成所述主路低压管道

50.主路一级回热器
17、
主路二级回热器
18
和主路三级回热器
19
的结构相同

51.具体地,高压储气罐6中的氦气从主路一级回热器
17
的内管上端进入主路高压管
道,从主路三级回热器
19
的内管下端流出主路高压管道,进入储液罐7;样品腔中的氦气从主路三级回热器
19
的内外管夹层下端进入主路低压管道,从主路一级回热器
17
的内外管夹层上端流出主路低压管道,进入低压储气罐
9。
52.示例性地,所述样品腔包括:蒸发器
20、
低压波纹管
21、
插板阀
22
和过渡真空腔
23。
53.所述蒸发器
20
的上部与所述低压波纹管
21
的下部连接并连通,所述低压波纹管
21
的上部穿过所述真空容器2的上端面,并连接所述插板阀
22
,所述插板阀
22
的上部连接所述过渡真空腔
23。
54.所述制冷机1的一级冷头和二级冷头与所述低压波纹管
21
侧面导冷连接,所述储液罐7连接所述蒸发器
20
的侧面,所述低压波纹管
21
的侧面下部连接所述主路低压管道

55.具体地,蒸发器
20
内部为空腔,储存有液氦,用于为样品
25
提供冷却空间

制冷机1的一级冷头和二级冷头分别通过一级软连接带
11
和二级软连接带
12
与低压波纹管
21
侧面靠近一级冷屏3和靠近二级冷屏4的位置导冷连接

插板阀
22
用于实现低压波纹管
21
和过渡真空腔
23
二者内部空间的隔离和连通

56.示例性地,所述蒸发器
20、
所述低压波纹管
21、
所述插板阀
22
和所述过渡真空腔
23
的共同轴线上设置有样品杆
24
,所述样品杆
24
下部安装有样品
25
,所述样品
25
下部安装有加热器
26。
57.所述控制器
10
还与所述加热器
26
电连接

58.具体地,加热器
26
用于向样品
25
提供焦耳热

59.示例性地,所述低压波纹管
21
的侧面上部连接有氦气回路电磁阀
27
,所述过渡真空腔
23
的侧面连接有真空腔电磁阀
28
,所述氦气回路电磁阀
27
和所述真空腔电磁阀
28
共同连接有真空泵组
29。
60.所述控制器
10
还分别与所述氦气回路电磁阀
27、
所述真空腔电磁阀
28、
所述真空泵组
29
电连接

61.具体地,真空泵组
29
用于通过氦气回路电磁阀
27
实现低压波纹管
21
内部的低压,并用于通过真空腔电磁阀
28
实现过渡真空腔
23
内部的真空

62.示例性地,所述高压储气罐6和所述主路高压管道之间还依次连接有总流量计
30
和主路计量阀
31。
63.所述总流量计
30
和所述旁路管道之间依次连接有旁路流量计
32
和旁路计量阀
33。
64.所述控制器
10
还分别与所述总流量计
30、
所述主路计量阀
31、
所述旁路流量计
32、
所述旁路计量阀
33
电连接

65.具体地,总流量计
30
用于监测总流量,主路计量阀
31
用于调节主路高压管道中氦气的流量大小,旁路流量计
32
用于监测旁路流量,旁路计量阀
33
用于调节旁路管道中氦气的流量大小

66.在一种可能的实施例中,一种闭式循环样品测试变温系统的运行过程包括:准备过程

预冷过程
、1k
降温过程

控温过程和更换过程

67.在一种可能的实施例中,准备过程包括:打开插板阀
22、
氦气回路电磁阀
27
和真空腔电磁阀
28
,此时过渡真空腔
23
和低压波纹管
21
两者内部空间连通;将加热器
26、
样品
25
安装在样品杆
24
底部,并插入低压波纹管
21
中,使得加热器
26
和样品
25
处于蒸发器
20
中;打开主路计量阀
31
和旁路计量阀
33
,启动真空泵组
29
对系统的循环回路进行抽真空,然后充入
一定压力的氦气,当循环回路中各处压力稳定后,关闭氦气回路电磁阀
27
和真空腔电磁阀
28。
68.在一种可能的实施例中,预冷过程包括:启动制冷机1,制冷机的一级冷头和二级冷头温度开始下降,启动循环泵组5,逐渐调节旁路计量阀
33
,关闭主路计量阀
31
,常温氦气会依次经过高压储气罐
6、
旁路管道

储液罐7到达蒸发器
20
,再从低压波纹管
21
经过主路低压管道进入低压储气罐9,最后进入循环泵组5完成循环

在预冷过程中,由于该循环回路中没有阻力件,氦气流量较大,会将制冷机1的一级冷头冷量快速传递给二级冷头,加速二级冷头的温度下降,通过强制对流换热,储液罐
7、
蒸发器
20、
样品
25
的温度也快速下降,短时间内接近制冷机1的二级冷头的温度

与此同时,主路三级回热器
19、
主路二级回热器
18
和主路一级回热器
17
的内管和外管均被冷氦气冷却,从而形成由低到高的温度梯度分布

69.在一种可能的实施例中,
1k
降温过程包括:逐渐调小旁路计量阀
33
的开度直至关闭,打开主路计量阀
31
,常温氦气会依次经过高压储气罐
6、
主路高压管道到达流阻器8,氦气在流阻器8处发生绝热膨胀,通过节流效应使其温度进一步下降至
1k
,随后流入储液罐7和蒸发器
20
中,使样品
25
的温度也进一步下降至
1k
最低温,低温氦气再经过主路低压管路返回低压储气罐9,最后进入循环泵组5完成循环


1k
降温过程中,该循环回路中的流量在流阻器8的制约下被限制在一个较小的范围,可以使低压波纹管
21
腔体压力保持在低压状态,从而实现蒸发器
20
和样品
25
达到
1k
目标温度

由于储液罐7和低压储气罐9均是具有一定空腔的容器,因此可以减小低压波纹管
21
内的压力波动,从而减小了最低温度的波动性

70.在一种可能的实施例中,控温过程包括:第一阶段和第二阶段

第一阶段包括:保持
1k
降温过程的系统状态不变,调节加热器
26
使样品
25
的温度按照需要的变化而变化;当控温所需稳定的温度高于制冷机1的二级冷头温度时,进入第二阶段,第二阶段包括:将系统调回
1k
降温过程的状态,通过调节旁路计量阀
33
的开度和加热器
26
,共同调节样品
25
的温度,从而实现大热容状态下的精确控温

71.在一种可能的实施例中,更换过程包括:先将样品杆
24
沿竖直方向提升,使样品
25
处于过渡真空腔
23
内,关闭插板阀
22
,隔断过渡真空腔
23
和低压波纹管
21
,再将样品杆
24
取出

待完成样品
25
的更换后,仍然将样品
25
置于过渡真空腔
23
内,打开真空腔电磁阀
28
和真空泵组
29
,将过渡真空腔
,23
抽成真空状态,再补充少量与初始状态相同压力的氦气,随后打开插板阀
22
,将样品杆
24
沿竖直方向向下移动,使样品
25
重新置于蒸发器
20
内,最后再重新进行样品测试

对于不需要从
1k~300k
控温的测试,可以跳过控温过程,直接执行更换过程对样品
25
进行更换

这样便能够在不影响最低温度的状态下实现对样品
25
的多次快速测试

72.本实施例通过旁路管道和主路低压管道实现旁路循环,在不经过流阻器的情况下提高了样品冷却速度;通过主路低压管道对样品腔低温氦气进行回收,提高了系统运行效率;通过流阻器

储液罐

主路低压管道和低压储气罐对样品腔进行降压而不是直接抽真空,减小了低压波纹管内的压力波动和温度波动;提出的主路一级回热器

主路二级回热器和主路三级回热器均采用同心双管螺旋结构,通过内管气体与内外管夹层气体的逆向流动,提高了主路高压管道气体和主路低压管道气体的换热效率和冷量回收利用率;提出的制冷机的一级冷头和二级冷头与低压波纹管侧面导冷连接,形成低压波纹管内部阶段性梯度的温度分布,减小了轴向传导漏热;提出的氦气回路电磁阀和真空腔电磁阀,通过与插板
阀相配合,降低了样品更换对样品腔和系统温度的影响;提出的主路计量阀和旁路计量阀,通过与流阻器相配合,实现不同温区的控温,提高了控温精度

73.尽管已描述了本发明的优选实施例,但本领域内的技术人员一旦得知了基本创造性概念,则可对这些实施例作出另外的变更和修改

所以,所附权利要求意欲解释为包括优选实施例以及落入本发明范围的所有变更和修改

74.显然,本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围

这样,倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内,则本发明也意图包含这些改动和变型在内

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