專利名稱：超流氦加壓裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
發(fā)明領(lǐng)域本實用新型涉及低溫冷卻系統(tǒng)中的加壓裝置，特別涉及一種超流氦加壓裝置，特別適用于各種使用超流氦對低溫超導磁體進行冷卻的領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
目前通用的用以超流氦加壓的裝置有兩種，一種是分層式超流氦加壓裝置，另一種是直接壓縮式超流氦加壓裝置。在應用中，它們還分別存在一些缺點。
分層式超流氦加壓裝置結(jié)構(gòu)形式如圖1所示，其結(jié)構(gòu)主要包括一杜瓦3，其內(nèi)設(shè)有底部的加壓超流氦腔8和上部的正常液氦腔6，所述加壓超流氦腔8和正常液氦腔6之間設(shè)置飽和超流氦腔7。其工作流程是先在杜瓦內(nèi)3輸入一定高度的液氦，通過正常抽氣管10，用控壓真空泵21將整個杜瓦抽到需要的壓力，然后通過與飽和超流氦腔7相連通的加壓針閥12輸入一定流量的液氦到飽和超流氦腔7，通過飽和抽氣管5，用與飽和超流氦腔7相連通的真空泵1不斷抽出飽和超流氦腔7內(nèi)的氦氣，使飽和超流氦腔7的溫度降到一定溫度，通過飽和超流氦腔7的腔壁進行傳導，使加壓超流氦腔8的溫度降到需要的溫度。正常液氦腔6的液氦通過隔在加壓超流氦腔8與正常液氦腔6之間的隔熱板22(隔熱板22與杜瓦3內(nèi)壁之間設(shè)有3mm-7mm的間隙)與加壓超流氦腔8進行流通和傳導，調(diào)節(jié)與正常液氦腔6相通的控壓真空泵21的轉(zhuǎn)速，通過隔熱板13與杜瓦內(nèi)壁之間的間隙可以控制加壓超流氦腔8中的壓力。
這種分層式加壓超流氦裝置的主要缺點在于正常液氦腔6的液氦和加壓超流氦腔8通過隔熱板22與杜瓦3內(nèi)壁之間形成的間隙流通，此間隙使得正常液氦向加壓超流氦腔8的漏熱增加了液氦損失量。在裝置運行過程中，調(diào)節(jié)和控制過程較為復雜，因為隔熱板22的位置是固定的，為了減少漏熱，需要將正常液氦腔6的正常液氦和加壓超流氦腔8的加壓超流氦之間的液體界面控制在隔熱板22的高度。
直接壓縮式超流氦加壓裝置的結(jié)構(gòu)形式如圖2，其結(jié)構(gòu)主要包括一杜瓦3，其內(nèi)設(shè)有底部加壓超流氦腔8，所述的底部加壓超流氦腔8和正常液氦腔6之間設(shè)置飽和超流氦腔7，所述的飽和超流氦腔7內(nèi)設(shè)置超壓氦液體壓縮泵23，其工作流程是先在杜瓦3內(nèi)輸入一定高度的液氦，然后通過飽和針閥12輸入一定流量的正常液氦到飽和超流氦腔7，通過飽和抽氣管5，用真空泵1將飽和超流氦腔7的氣體不斷抽出，使飽和超流氦腔7溫度下降到一定的溫度，然后打開超流氦液體壓縮泵23，逐漸對降溫后的飽和超流氦腔7內(nèi)的飽和超流氦加壓，飽和超流氦通過校驗閥24輸入到加壓超流氦腔8，調(diào)節(jié)壓縮泵驅(qū)動器25并由校驗閥24傳輸，可以調(diào)節(jié)加壓超流氦腔8的壓力。
這種直接壓縮式超流氦裝置加壓的主要缺點在于裝置中飽和超流氦腔7內(nèi)設(shè)置有一臺超流氦液體壓縮泵23，涉及的技術(shù)難度較大，加工工藝要求高，因此價格昂貴，并且在運行過程中會造成加壓超流氦腔內(nèi)的壓力有較大的波動。

發(fā)明內(nèi)容
本實用新型采用低溫超流氦傳熱和流動系統(tǒng)，解決現(xiàn)有超流氦加壓裝置存在的漏熱大、液氦損失較快、調(diào)節(jié)控制難度大或技術(shù)復雜程度較高、加工工藝要求高、成本高昂、運行穩(wěn)定性不強的技術(shù)缺陷，提供一種加工方便、易于調(diào)節(jié)和控制、漏熱較小、液氦損失較慢的超流氦加壓的裝置。
本實用新型的目的是這樣實現(xiàn)的本實用新型提供的超流氦加壓裝置，如附圖3，包括一杜瓦3，其內(nèi)腔為正常液氦腔6，正常液氦腔6底部放置有加壓超流氦腔8和與其上部相連通的飽和超流氦腔7；所述飽和超流氦腔7通過飽和抽氣管5和與真空泵1連接；與所述飽和超流氦腔7相連的飽和針閥12的端部設(shè)有飽和針閥旋鈕9；與所述加壓超流氦腔8相連的加壓針閥14的端部設(shè)有加壓針閥旋鈕16；杜瓦3設(shè)有與正常液氦腔6相連通的正常排氣管10；所述正常液氦腔6內(nèi)的上部腔體內(nèi)設(shè)有防輻射板4；其特征在于，還包括；飽和超流氦腔7和加壓超流氦腔8腔內(nèi)的液體通過多孔介質(zhì)17連通；所述的飽和超流氦腔7和加壓超流氦腔8均為帶真空夾層；所述的加壓超流氦腔8設(shè)置有截至閥13。
所述的多孔介質(zhì)17為金屬粉末燒結(jié)體或金屬鋁氧化物以及微孔陶瓷。
所述的多孔介質(zhì)17的厚度為4mm-12mm。
所述的多孔介質(zhì)17的微孔平均直徑在0.1μm-20μm。
所述的多孔介質(zhì)17放置在多孔介質(zhì)底座18內(nèi)，多孔介質(zhì)底座18放置在帶真空夾層的飽和超流氦腔7內(nèi)，多孔介質(zhì)底座18與帶真空夾層的飽和超流氦腔7相連的表面上開有光滑的方形密封槽，槽內(nèi)設(shè)有采用銦絲材料制作的密封圈(19)。
本實用新型在飽和超流氦腔7外壁設(shè)置飽和真空夾層11，加壓超流氦腔8外壁設(shè)置加壓真空夾層15，可以大大減小向這兩個腔內(nèi)減小漏熱量，減少液氦損失量。
本實用新型的正常液氦腔6內(nèi)灌注有一定高度的正常液氦，飽和超流氦腔7內(nèi)灌注有一定高度的飽和超流氦，加壓超流氦腔8中充滿超流氦。
本實用新型的正常液氦腔6和飽和超流氦腔7通過飽和針閥12相連接，工作時，有一定量的正常超流氦流過飽和針閥12注入到飽和超流氦腔7中。飽和超流氦腔7中上部的蒸發(fā)氦氣通過飽和抽氣管5由括真空泵1不斷抽出，以維持飽和超流氦腔7中的溫度穩(wěn)定性。
本實用新型的加壓針閥14在初次往加壓超流氦腔8內(nèi)充入正常液氦時打開，液氦充滿之后關(guān)閉。
本實用新型的多孔介質(zhì)底座(18)與飽和超流氦腔(7)的底端使用螺栓組件20連接或使用一體燒結(jié)加工制成或使用低溫膠粘接。
本實用新型超流氦加壓裝置的工作過程如下將超導磁體安裝在加壓超流氦腔8內(nèi)，再安裝加壓真空夾層15，打開截至閥13并利用通用真空設(shè)備抽出加壓真空夾層15內(nèi)的氣體然后關(guān)閉截至閥13，在杜瓦3與杜瓦蓋2之間采用通用橡膠圈密封。杜瓦3內(nèi)腔為正常液氦腔6，使用通常方法向整個杜瓦3內(nèi)輸入正常液氦，使正常液氦注入的液面高度略低于防輻射板4，旋轉(zhuǎn)飽和針閥旋鈕9打開飽和針閥12，旋轉(zhuǎn)加壓針閥旋鈕16打開加壓針閥14，向飽和超流氦腔7和加壓超流氦腔8內(nèi)充入正常液氦，關(guān)上加壓針閥14，調(diào)節(jié)飽和針閥12，使其處于微開狀態(tài)。打開真空泵1通過飽和抽氣管5不斷抽出飽和超流氦腔7上部的蒸發(fā)氦氣，使飽和超流氦腔7內(nèi)達到一定的溫度，在此過程中可以調(diào)節(jié)真空泵1的抽速和飽和針閥12的開度，以控制飽和超流氦腔7內(nèi)達到設(shè)計的溫度；飽和超流氦腔7內(nèi)溫度下降后，加壓超流氦腔8內(nèi)的溫度就高于飽和加壓超流氦腔7內(nèi)溫度，即在多孔介質(zhì)17的兩端出現(xiàn)溫差，由于超流氦在多孔介質(zhì)17中存在熱機械效應，使處于加壓超流氦腔8和飽和超流氦腔7之間的多孔介質(zhì)17的兩端將會產(chǎn)生相應較大的壓差，此時加壓超流氦腔8內(nèi)的壓力就高于飽和超流氦腔7內(nèi)的壓力，兩者之間的壓力差和溫度差成正比，遠大于溫度差導致的飽和壓力差，這樣就使得加壓超流氦腔8內(nèi)處于加壓的狀態(tài)，并且加壓超流氦腔8內(nèi)的壓力可以通過調(diào)節(jié)飽和超流氦腔7內(nèi)溫度來控制。被冷卻的器件放置于加壓超流氦腔8內(nèi)，它釋放的熱量先被加壓超流氦腔8內(nèi)的液體冷卻，然后熱量通過多孔介質(zhì)17傳遞到飽和超流氦腔7內(nèi)經(jīng)蒸發(fā)吸熱，通過飽和抽氣管5和真空泵1排出。這樣就實現(xiàn)了對超流氦加壓、并冷卻器件的功能，并且可以方便地控制。
技術(shù)效果本實用新型超流氦加壓裝置提供了一種新的結(jié)構(gòu)形式和操作方法，因而獲得以下幾方面技術(shù)效果。超流氦腔使用真空夾層隔熱，大大減少了漏熱量。相比于分層式超流氦加壓裝置，本裝置中不存在正常液氦和加壓超流氦直接接觸的情況，直接減少了向加壓超流氦腔的漏熱。通過減少漏熱可以大大減小正常液氦的損失量，增加了裝置在運行過程中的經(jīng)濟性。
本實用新型裝置不需要加工工藝復雜、價格昂貴的超流氦液體壓縮泵，其核心部件為多孔介質(zhì)，加工工藝較為簡單，材料便宜。因此大大降低了裝置的制作加工成本。
本實用新型裝置在運行和操作過程中，避免了分層式超流氦加壓裝置中正常液氦腔6和加壓超流氦腔8之間液體界面必須處于隔熱板22位置的高度的問題，也避免了直接壓縮式超流氦加壓裝置中壓力波動的問題，因而增加了運行穩(wěn)定性。通過調(diào)節(jié)真空泵1的抽速和飽和針閥12的開度可以方便地對運行過程進行調(diào)節(jié)和控制。因而增加了裝置的可操作性。


圖1是現(xiàn)有技術(shù)中的分層式加壓超流氦裝置結(jié)構(gòu)示意圖；圖2是現(xiàn)有技術(shù)中的直接壓縮式超流氦加壓裝置結(jié)構(gòu)示意圖；圖3是本實用新型的結(jié)構(gòu)示意圖；圖4是圖3中A的局部放大示意圖；其中真空泵1 杜瓦蓋2 杜瓦3防輻射板4飽和抽氣管5 正常液氦腔6飽和超流氦腔7加壓超流氦腔8 飽和針閥旋鈕9正常抽氣管10 飽和真空夾層11 飽和針閥12截至閥13 加壓針閥14 加壓真空腔15加壓針閥旋鈕16 多孔介質(zhì)17 多孔介質(zhì)底座18
軟金屬密封圈19， 螺栓組件20控壓真空泵21隔熱板22 超流氦液體壓縮泵23校驗閥24調(diào)節(jié)壓縮泵驅(qū)動器2具體實施方式
以下結(jié)合附圖和實施例對本實用新型進行詳細說明。
實施例1本實用新型提供的超流氦加壓裝置，如圖3，圖4包括一杜瓦3，其內(nèi)腔為正常液氦腔6，正常液氦腔6底部放置有加壓超流氦腔8和與其上部相連通的飽和超流氦腔7；所述飽和超流氦腔7通過飽和抽氣管5和與真空泵1連接；與所述飽和超流氦腔7相連的飽和針閥12的端部設(shè)有飽和針閥旋鈕9；與所述加壓超流氦腔8相連的加壓針閥14的端部設(shè)有加壓針閥旋鈕16；杜瓦3設(shè)有與正常液氦腔6相連通的正常排氣管10；所述正常液氦腔6內(nèi)的上部腔體內(nèi)設(shè)有防輻射板4；其特征在于，還包括；飽和超流氦腔7和加壓超流氦腔8腔內(nèi)的液體通過多孔介質(zhì)17連通；所述的飽和超流氦腔7和加壓超流氦腔8均為帶真空夾層；所述的加壓超流氦腔8設(shè)置有截至閥13。
所述的多孔介質(zhì)17為金屬粉末燒結(jié)體或金屬鋁氧化物以及微孔陶瓷都可以。
所述的多孔介質(zhì)17的材料采用氧化鋁，多孔介質(zhì)1的厚度為5mm，微孔平均直徑2微米；多孔介質(zhì)17與多孔介質(zhì)底座18分別加工制作，采用低溫膠將兩者粘接在一起。
所述的多孔介質(zhì)17放置在多孔介質(zhì)底座18內(nèi)，多孔介質(zhì)底座18放置在帶真空夾層的飽和超流氦腔7內(nèi)，多孔介質(zhì)底座18與帶真空夾層的飽和超流氦腔7相連的表面上開有光滑的方形密封槽，槽內(nèi)設(shè)有銦絲材料制作的截面直徑為1mm的密封圈19。
本實用新型的飽和超流氦腔7外壁設(shè)置了飽和真空夾層11，加壓超流氦腔8外壁設(shè)置了加壓真空夾層15，可以大大減小向這兩個腔內(nèi)減小漏熱量，減少液氦損失量。
本實用新型的正常液氦腔6內(nèi)灌注有一定高度的正常液氦，飽和超流氦腔7內(nèi)灌注有一定高度的飽和超流氦，加壓超流氦腔8中充滿超流氦。
本實用新型的正常液氦腔6和飽和超流氦腔7通過飽和針閥12相連接，工作時，有一定量的正常超流氦流過飽和針閥12注入到飽和超流氦腔7中。飽和超流氦腔7中上部的蒸發(fā)氦氣通過抽氣管5由括真空泵1不斷抽出，以維持飽和超流氦腔7中的溫度穩(wěn)定性。
本實用新型的加壓針閥14在初次往加壓超流氦腔8內(nèi)充入正常液氦時打開，液氦充滿之后關(guān)閉。
本實用新型的多孔介質(zhì)底座(18)與飽和超流氦腔(7)的底端使用螺栓組件20連接。
本實施例工作過程如下將超導磁體安裝在加壓超流氦腔8內(nèi)，再安裝加壓真空夾層15，打開截至閥13并利用通用真空設(shè)備抽出加壓真空夾層15內(nèi)的氣體，然后再關(guān)閉截至閥13。在杜瓦3與杜瓦蓋2之間采用通用橡膠圈密封。杜瓦3內(nèi)腔為正常液氦腔6，使用通常方法向整個杜瓦3內(nèi)輸入正常液氦，使正常液氦注入的液面高度低于防輻射板4，然后旋轉(zhuǎn)飽和針閥旋鈕9，打開飽和針閥12，旋轉(zhuǎn)加壓針閥旋鈕16，打開加壓針閥14，向飽和超流氦腔7和加壓超流氦腔8內(nèi)充入正常液氦，關(guān)上加壓針閥14，調(diào)節(jié)飽和針閥12，使其處于微開狀態(tài)。打開真空泵1通過飽和抽氣管5不斷抽出飽和超流氦腔7上部的蒸發(fā)氦氣，使飽和超流氦腔7內(nèi)達到一定的溫度，在此過程中可以調(diào)節(jié)真空泵1的抽速和飽和針閥12的開度，以控制飽和超流氦腔7內(nèi)的溫度達到1.7K。在飽和超流氦腔7內(nèi)溫度下降過程中，加壓超流氦腔8內(nèi)的溫度就高于飽和超流氦腔7內(nèi)的溫度，當加壓超流氦腔8的溫度達到1.9K，在多孔介質(zhì)17的兩端出現(xiàn)的溫差為0.1K，由于超流氦在多孔介質(zhì)17中熱機械效應存在，因此加壓超流氦腔8內(nèi)的壓力就高于飽和超流氦腔7內(nèi)的壓力，兩者之間的壓力差為7.8KPa，這樣就使得加壓超流氦腔8內(nèi)的壓力比飽和超流氦腔7的壓力(2.7KPa)增加5.1KPa，加壓超流氦腔8內(nèi)的壓力可以通過調(diào)節(jié)飽和超流氦腔7內(nèi)的溫度來控制。被冷卻的超導磁體釋放的熱量先被加壓超流氦腔8內(nèi)的液體冷卻，然后熱量通過多孔介質(zhì)17傳遞到飽和超流氦腔7內(nèi)經(jīng)蒸發(fā)吸熱，通過飽和抽氣管5和真空泵1排出。這樣就方便地實現(xiàn)了對超流氦加壓、并冷卻超導磁體的功能。
實施例2本實施例多孔介質(zhì)17的厚度為6mm，截面直徑10mm，多孔介質(zhì)17的材料采用不銹鋼粉末燒結(jié)材料，微孔平均直徑10微米，多孔介質(zhì)17與多孔介質(zhì)底座18采用一體燒結(jié)加工制成。本實施例的其他部分同實施例1。
實施例3本實施例多孔介質(zhì)17的厚度為11mm，多孔介質(zhì)17的材料采用微孔陶瓷材料，微孔平均直徑0.3微米，多孔介質(zhì)17與多孔介質(zhì)底座18使用低溫膠粘接在一起。本實施例的其他部分同實施例1或2。
此超流氦加壓裝置還包括其他變化形式飽和超流氦腔7外壁不設(shè)置真空夾層，用單層隔熱壁；加壓超流氦腔8外壁不設(shè)置真空夾層，采用單層隔熱壁；飽和超流氦腔7和加壓超流氦腔8之間設(shè)置有多孔介質(zhì)17，其他部分與本裝置不相同；不設(shè)置多孔介質(zhì)底座18，將多孔介質(zhì)17直接粘接在飽和超流氦腔7的底端，其他部分與本裝置相同；申請人已經(jīng)就本實用新型的構(gòu)思和實施方案作出了詳細的說明，應該明白，在上述說明的基礎(chǔ)上對于本專業(yè)的普通技術(shù)人員還可作出各種變換和改進，當這些變換和改進都在本發(fā)明所附的權(quán)利要求書要求保護的范圍之內(nèi)。
權(quán)利要求1.一種超流氦加壓裝置，包括一杜瓦(3)，其內(nèi)腔為正常液氦腔(6)，所述正常液氦腔(6)底部放置有加壓超流氦腔(8)和與其上部相連通的飽和超流氦腔(7)；所述飽和超流氦腔(7)通過飽和抽氣管(5)和與真空泵(1)連接；與所述飽和超流氦腔(7)相連的飽和針閥(12)的端部設(shè)有飽和針閥旋鈕(9)；與所述加壓超流氦腔(8)相連的加壓針閥(14)的端部設(shè)有加壓針閥旋鈕(16)；杜瓦(3)設(shè)有與正常液氦腔(6)相連通的正常排氣管(10)；所述正常液氦腔(6)內(nèi)的上部腔體內(nèi)設(shè)有防輻射板(4)；其特征在于，所述飽和超流氦腔(7)和加壓超流氦腔(8)之間設(shè)置多孔介質(zhì)(17)，飽和超流氦腔(7)和加壓超流氦腔(8)腔內(nèi)的液體通過多孔介質(zhì)(17)連通；所述的飽和超流氦腔(7)和加壓超流氦腔(8)均為真空夾層；所述的加壓超流氦腔(8)設(shè)置有截至閥(13)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的超流氦加壓裝置，其特征在于，所述的多孔介質(zhì)(17)為金屬粉末燒結(jié)體或金屬鋁氧化物以及微孔陶瓷。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的超流氦加壓裝置，其特征在于，所述的多孔介質(zhì)(17)的厚度為4mm-12mm。
4.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的超流氦加壓裝置，其特征在于，所述的多孔介質(zhì)(17)的微孔平均直徑在0.1μm-20μm。
5.根據(jù)權(quán)利要求3所述的超流氦加壓裝置，其特征在于，所述的多孔介質(zhì)(17)的微孔平均直徑在0.1μm-20μm。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所根據(jù)權(quán)利要求所述的超流氦加壓裝置，其特征在于，所述多孔介質(zhì)(17)放置在多孔介質(zhì)底座(18)內(nèi)，多孔介質(zhì)底座(18)放置在帶真空夾層的飽和超流氦腔(7)內(nèi)，多孔介質(zhì)底座(18)與帶真空夾層的飽和超流氦腔(7)相連的表面上開有光滑的方形密封槽，槽內(nèi)設(shè)有使用銦絲材料制作的密封圈(19)。
專利摘要本實用新型涉及的超流氦加壓裝置，包括一杜瓦，其內(nèi)腔為正常液氦腔，正常液氦腔底部放置有加壓超流氦腔和與其上部相連通的飽和超流氦腔；飽和超流氦腔通過抽氣管和與真空泵連接；與飽和超流氦腔相連的飽和腔針閥的端部設(shè)有針閥調(diào)節(jié)旋鈕；杜瓦設(shè)有與正常液氦腔相連通的排氣管；正常液氦腔內(nèi)的上部腔體內(nèi)設(shè)有防輻射板；特點在于，飽和超流氦腔和加壓超流氦腔腔內(nèi)的液體通過多孔介質(zhì)連通；飽和超流氦腔和加壓超流氦腔均為帶真空夾層；加壓超流氦腔設(shè)置有截至閥。具有加工方便、易于調(diào)節(jié)和控制、漏熱小、液氦損失慢等優(yōu)點。
文檔編號F25D3/10GK2788100SQ20052000901
公開日2006年6月14日 申請日期2005年3月24日 優(yōu)先權(quán)日2005年3月24日
發(fā)明者李青, 余興恩, 李強, 李正寧 申請人:中國科學院理化技術(shù)研究所