本發(fā)明屬于制冷與低溫容器技術(shù)領(lǐng)域，更具體地，涉及一種用于大口徑封閉循環(huán)液氦浸泡杜瓦的插件。

背景技術(shù)：

對于需要在低溫下工作的儀器，杜瓦是不可或缺的組成部分。杜瓦又稱低溫恒溫器(cryostat)，其基本功能是減少外部環(huán)境到內(nèi)部儀器工作空間的熱量傳遞，為儀器提供穩(wěn)定的低溫條件。維持低溫條件的基本方法有兩種。一種方法是在杜瓦中存儲低溫液體，如液氦、液氮，將儀器浸泡在低溫液體中，利用低溫液體緩慢蒸發(fā)的冷量來維持低溫，這類杜瓦稱為液氦浸泡型杜瓦，其優(yōu)點是結(jié)構(gòu)簡單，溫度相對穩(wěn)定，空間均勻性好，但需要不斷補(bǔ)充低溫液體，補(bǔ)液時產(chǎn)生的振動與溫度波動會干擾儀器運(yùn)行，不利于儀器持續(xù)穩(wěn)定工作。另一種方法是使用低溫致冷機(jī)(cryocooler)，將其冷頭冷量傳遞給儀器，將儀器冷卻到低溫并予以維持，因此，不需要補(bǔ)充低溫液體，但系統(tǒng)復(fù)雜。

在一些應(yīng)用領(lǐng)域，如超導(dǎo)重力儀等，儀器需要在液氦溫度下不受干擾地持續(xù)工作，維護(hù)周期以年計；同時要求溫度波動小，溫度的空間均勻性好。在這種情況下，需要結(jié)合上述兩種方法的優(yōu)點，采用帶冷頭的液氦浸泡型杜瓦，并利用冷頭冷量將杜瓦內(nèi)蒸發(fā)的氦氣重新液化，實現(xiàn)低溫介質(zhì)在杜瓦內(nèi)的封閉循環(huán)。通常方法將儀器吊裝在杜瓦插件上，浸泡在液氦中，同時在杜瓦法蘭板上安裝冷頭。美國gwrinstrumentsinc.就是采用這種方法，為其超導(dǎo)重力儀提供長期穩(wěn)定的低溫條件。這類杜瓦可稱為自制冷封閉循環(huán)液氦浸泡型杜瓦。

實現(xiàn)液氦封閉循環(huán)所需的冷量由制冷機(jī)冷頭提供。在目前技術(shù)條件下，需使用兩級冷頭。一級冷頭的工作溫度較高，制冷功率大；而二級冷頭的工作溫度低，制冷功率小。以住友系列制冷機(jī)為例，一級冷頭工作在40k-65k之間，制冷功率最高可達(dá)40w；二級冷頭一般工作在4.2k，制冷功率最大為1.5w。同時，一級冷頭與常溫安裝板(一般為杜瓦法蘭板)之間的距離，以及一級冷頭與二級冷頭之間的距離都較小，在10cm-30cm之間，因此，冷頭軸向的溫度梯度大。實現(xiàn)液氦的封閉循環(huán)，要求具備以下兩個基本條件：(1)至少有一個冷頭(稱為低溫冷頭，一般為二級冷頭)能達(dá)到氦液化以下溫度，并能穩(wěn)定維持，使低溫氦氣能重新液化；(2)低溫冷頭可以用來進(jìn)行氦氣液化的冷量必須大于傳遞到液氦池的總熱量，這樣才能實現(xiàn)液氦的持久封閉循環(huán)。

從上面描述中可以看出，二級冷頭的功率有限，且有一部分冷量會向一級冷頭方向傳遞，因此，優(yōu)化杜瓦結(jié)構(gòu)，做好二級冷頭的冷量管理，對自制冷封閉循環(huán)液氦浸泡型杜瓦設(shè)計非常重要。在冷量管理中，杜瓦的開口尺寸(下面稱為杜瓦口徑)是一個重要參數(shù)，口徑越小，沿杜瓦內(nèi)壁的固體傳熱越少；對于封閉循環(huán)杜瓦，冷頭處于1個大氣壓的氦氣環(huán)境中，口徑小，二級冷頭由于氣體分子傳導(dǎo)造成的冷量損失也少。因此，在杜瓦設(shè)計中，應(yīng)盡可能減小杜瓦口徑。正因為如此，gwr超導(dǎo)重力儀的杜瓦口徑非常接近冷頭尺寸。但是，杜瓦口徑不是可隨意設(shè)計的參數(shù)，低溫儀器必須通過杜瓦瓶口裝入杜瓦內(nèi)，冷頭也是通過杜瓦瓶口安裝在杜瓦中，因此杜瓦口徑必須同時大于冷頭直徑與待安裝儀器的直徑。

現(xiàn)有技術(shù)中，在某些情況下，儀器尺寸顯著大于冷頭尺寸，導(dǎo)致杜瓦口徑顯著大于可選配的冷頭直徑，二級冷頭的冷量損失嚴(yán)重，構(gòu)成液氦封閉循環(huán)的嚴(yán)重障礙。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

針對現(xiàn)有技術(shù)的缺陷，本發(fā)明的目的在于提供一種用于大口徑封閉循環(huán)液氦浸泡杜瓦的插件，旨在解決現(xiàn)有技術(shù)中當(dāng)儀器尺寸顯著大于冷頭尺寸時，杜瓦口徑顯著大于可選配的冷頭直徑，導(dǎo)致二級冷頭的冷量損失嚴(yán)重，使得液氦封閉循環(huán)存在嚴(yán)重障礙的問題。

本發(fā)明提供了一種用于大口徑封閉循環(huán)液氦浸泡杜瓦的插件，包括：法蘭板、真空腔、熱傳導(dǎo)結(jié)構(gòu)和徑向防輻射屏；所述真空腔位于上部，用于環(huán)繞一級冷頭和二級冷頭，所述真空腔包括內(nèi)筒，外筒和底板；所述內(nèi)筒和所述外筒構(gòu)成環(huán)形筒結(jié)構(gòu)，所述底板接近液氦面；所述熱傳導(dǎo)結(jié)構(gòu)位于所述內(nèi)筒與所述外筒之間，用于連接所述內(nèi)筒與所述外筒，且作為軸向防輻射板；所述真空腔的外筒的頂部連接所述法蘭板；徑向防輻射屏位于所述內(nèi)筒與所述外筒之間且環(huán)繞于所述二級冷頭設(shè)置在所述熱傳導(dǎo)結(jié)構(gòu)下方，所述徑向防輻射屏的底部熱沉于所述底板。

更進(jìn)一步地，真空腔的外筒的直徑小于杜瓦口徑，且所述外筒與杜瓦的內(nèi)壁之間的間隙為毫米量級；所述真空腔的內(nèi)筒的直徑大于冷頭外徑，且所述內(nèi)筒的內(nèi)壁與所述二級冷頭之間的間隙為毫米量級。

更進(jìn)一步地，熱傳導(dǎo)結(jié)構(gòu)在一級冷頭位置與真空腔內(nèi)筒緊密熱連接，且向下延伸后與所述真空腔的所述外筒緊密熱連接。

更進(jìn)一步地，徑向防輻射屏或熱傳導(dǎo)結(jié)構(gòu)為1個或1組數(shù)個與所述真空腔同軸設(shè)置的圓筒。

更進(jìn)一步地，當(dāng)所述徑向防輻射屏或所述熱傳導(dǎo)結(jié)構(gòu)為多個圓筒時，任意相鄰的兩個圓筒之間均設(shè)置有間隙。

更進(jìn)一步地，真空腔的內(nèi)筒和外筒的材料為熱導(dǎo)系數(shù)低真空漏率低的薄壁材料。

本發(fā)明通過在插件頂部設(shè)置真空腔，在真空腔內(nèi)設(shè)置熱沉于液氦池的徑向防輻射屏，減少二級冷頭因為熱傳導(dǎo)而損失的冷量，確保二級冷頭的工作溫度低于氦液化溫度，且有足夠的冷量用來液化低溫氦氣；通過在插件頂部真空腔內(nèi)設(shè)置熱傳導(dǎo)結(jié)構(gòu)，利用一級冷頭富余冷量冷卻真空腔外筒，減小其在液氦面附近的溫度梯度，降低液氦的揮發(fā)量。

附圖說明

圖1是本發(fā)明實施例提供的用于大口徑封閉循環(huán)液氦浸泡杜瓦的插件的結(jié)構(gòu)示意圖。

其中，1為法蘭板，2為真空腔，3為熱傳導(dǎo)結(jié)構(gòu)，4為徑向防輻射板，5為內(nèi)筒，6為外筒，7為底板，8為液氦存儲空間，9為安置空間，10為一級冷頭，11為二級冷頭。

具體實施方式

為了使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案及優(yōu)點更加清楚明白，以下結(jié)合附圖及實施例，對本發(fā)明進(jìn)行進(jìn)一步詳細(xì)說明。應(yīng)當(dāng)理解，此處所描述的具體實施例僅僅用以解釋本發(fā)明，并不用于限定本發(fā)明。

本發(fā)明通過優(yōu)化杜瓦插件的結(jié)構(gòu)，充分利用一級冷頭冷量，減小二級冷頭的無用冷量損失，達(dá)到在盡可能小的制冷功率下，實現(xiàn)液氦的封閉循環(huán)。本發(fā)明給出一種能滿足上述需求的杜瓦插件結(jié)構(gòu)。

本發(fā)明中杜瓦大口徑具體指當(dāng)儀器的口徑大于冷頭的口徑時，杜瓦口徑必須大于儀器的尺寸。

如圖1所示，本發(fā)明提出的用于大口徑封閉循環(huán)液氦浸泡杜瓦的插件包括：法蘭板1、一個真空腔2、一個(組)熱傳導(dǎo)結(jié)構(gòu)3，兼做軸向防輻射屏，和一個(組)徑向防輻射屏4；真空腔2位于上部，真空腔2具有由內(nèi)筒5和外筒6構(gòu)成環(huán)形筒結(jié)構(gòu)，腔體外徑接近但略小于杜瓦口徑(真空腔外筒的直徑小于杜瓦口徑，且真空腔外筒與杜瓦的內(nèi)壁之間的間隙為毫米量級，且越小越好)，真空腔內(nèi)筒的直徑大于冷頭外徑，且真空腔內(nèi)筒的內(nèi)壁與冷頭之間的間隙為毫米量級且越小越好；真空腔體用于環(huán)繞冷頭，腔體底部接近液氦面。徑向防輻射屏4位于真空腔內(nèi)，具體為真空腔內(nèi)1個或1組數(shù)個與插件同軸的圓筒，環(huán)繞二級冷頭，其底部熱沉于底板7。

熱傳導(dǎo)結(jié)構(gòu)3位于真空腔內(nèi)，具體為連接真空腔內(nèi)、外筒的金屬結(jié)構(gòu)，熱傳導(dǎo)結(jié)構(gòu)在一級冷頭位置與真空腔內(nèi)筒做緊密熱連接，向下延伸后與真空腔外筒做緊密熱連接。

本發(fā)明實施例中，在插件上設(shè)置真空腔。在杜瓦開口顯著大于冷頭直徑情況下，杜瓦頸部截面積大，這部分空間充滿1個大氣壓的氦氣。此時，主要有2種從杜瓦頂部高溫區(qū)向下的熱傳導(dǎo)機(jī)制，即杜瓦內(nèi)壁、儀器懸掛件的固體傳導(dǎo)和腔內(nèi)氣體分子傳導(dǎo)。在杜瓦筒內(nèi)壁厚度不變情況下，隨著杜瓦口徑增大，杜瓦筒內(nèi)壁截面積成比例增大，杜瓦內(nèi)壁的固體熱傳導(dǎo)與其截面積成正比，隨杜瓦口徑成比例增大；腔內(nèi)氣體分子熱傳導(dǎo)與杜瓦頸部截面積成正比，以平方關(guān)系隨杜瓦口徑增大?？梢?，在大口徑下，杜瓦頸部的漏熱顯著增大。在二級冷頭致冷功率有限，一級冷頭與二級冷頭間距小、溫差大的情況下，從上往下傳遞給二級冷頭的熱量足以使冷頭溫度高于氦液化溫度，無法實現(xiàn)液氦的封閉循環(huán)。

為了減少二級冷頭的冷量損失，在插件上部設(shè)置環(huán)形真空腔真空夾層，真空腔內(nèi)外筒采用熱導(dǎo)系數(shù)低真空漏率低(例如不銹鋼材料)的薄壁材料制作，其底板接近或浸泡在液氦中，使其溫度接近或等同液氦溫度。真空腔的高度由冷頭功率與實際使用需求決定，具體地真空腔底板低于二級冷頭，即真空腔的高度大于冷頭的長度，高度越大，通過上部真空腔外側(cè)壁向下傳遞的熱量越少，但杜瓦的高度增大。

設(shè)置真空腔后使得杜瓦內(nèi)充滿氦氣空間的截面積減小，其以氦氣為介質(zhì)向下傳遞給冷頭的熱量減??；由于真空腔底部接近或浸泡在液氦中，與二級冷頭處的溫差小，從下往上傳遞到二級冷頭的熱量可忽略。因此，設(shè)置真空腔后，有利于降低二級冷頭的溫度，提高氦液化率。

本發(fā)明實施例中，在真空腔的內(nèi)筒與外筒之間同軸設(shè)置有防輻射屏，防輻射屏與真空腔內(nèi)、外筒之間均有間隙，且防輻射屏的底板與真空腔底板固定，防輻射屏的高度大于二級冷頭。設(shè)置真空腔后，二級冷頭附近的真空腔內(nèi)筒溫度在4.2k附近，但真空腔外筒的溫度顯著高于內(nèi)筒，內(nèi)外筒之間的輻射傳熱與溫度的4次方之差成正比，因此熱輻射顯著，足以導(dǎo)致二級冷頭溫度達(dá)不到氦氣液化的溫度。為了解決此問題，在真空腔內(nèi)下部，也可以同軸設(shè)置多個防輻射屏，相鄰的兩個防輻射屏之間均有間隙；防輻射屏的材料可以采用低溫?zé)醾鲗?dǎo)性能優(yōu)良的金屬材料。防輻射屏與真空腔共軸，其底部與真空腔底板做固體連接，使之熱沉于真空腔底板，這樣，防輻射屏與其內(nèi)側(cè)的真空腔內(nèi)側(cè)壁之間的溫度差較小，兩者之間的輻射傳導(dǎo)熱量減小，真空腔內(nèi)筒在二級冷頭附近的溫度更接近二級冷頭溫度，從而有效減少從二級冷頭流出的冷量，保證二級冷頭溫度降至氦氣液化溫度以下，這是實現(xiàn)氦介質(zhì)封閉循環(huán)的前提條件之一。

本發(fā)明實施例中，在真空腔內(nèi)外筒之間建立了熱傳導(dǎo)結(jié)構(gòu)。真空腔外筒頂部連接處于室溫的法蘭板，底端靠近液氦池液面，溫度梯度大，通過真空腔外筒的固體傳導(dǎo)傳入液氦池的熱量大，會導(dǎo)致液氦的大量揮發(fā)。另一方面，一級冷頭的制冷功率大，可以利用這一部分冷量來減少真空腔外側(cè)壁轉(zhuǎn)入液氦池的熱量。為了達(dá)到這一目的，在真空腔內(nèi)、外筒之間設(shè)置熱傳導(dǎo)結(jié)構(gòu)。熱傳導(dǎo)結(jié)構(gòu)在一級冷頭位置處與真空腔內(nèi)筒壁連接，在低于一級冷頭的位置與真空腔外筒壁連接。熱傳導(dǎo)結(jié)構(gòu)與真空腔外筒壁連接的具體位置可以根據(jù)一級冷頭工作溫度、連接結(jié)構(gòu)的熱傳導(dǎo)速率、真空腔外筒高度及其熱傳導(dǎo)速率等因素共同決定，以外筒向液氦池傳遞的熱量最少為條件進(jìn)行優(yōu)化；具體可以采用ansys軟件進(jìn)行計算。熱傳導(dǎo)結(jié)構(gòu)的主要功能是，利用一級冷頭富余的冷量，冷卻真空腔外筒，減小外筒在液氦面附近的溫度梯度，從而減少經(jīng)外筒傳遞到液氦池的熱量，降低液氦的揮發(fā)速率。同時，熱傳導(dǎo)橋梁兼有防軸向熱輻射的功能。

本發(fā)明通過在插件上部設(shè)置真空腔，在真空腔內(nèi)設(shè)置熱沉于液氦池的徑向防輻射屏，減少二級冷頭因為熱傳導(dǎo)而損失的冷量，確保二級冷頭的工作溫度低于氦液化溫度，且有足夠的冷量用來液化低溫氦氣；同時通過真空腔內(nèi)設(shè)置熱傳導(dǎo)結(jié)構(gòu)，利用一級冷頭富余冷量冷卻真空腔外筒，減小其在液氦面附近的溫度梯度，降低液氦的揮發(fā)量。

為了更進(jìn)一步的說明本發(fā)明實施例提供的用于大口徑封閉循環(huán)液氦浸泡杜瓦的插件；現(xiàn)以超導(dǎo)重力儀插件為實例，給出本發(fā)明的一種具體實施方式，詳述如下：

超導(dǎo)重力儀是一種在液氦溫度下工作，高分辨監(jiān)測時變重力場的儀器，要求能長時間持續(xù)工作，需要采用帶有制冷機(jī)的封閉循環(huán)液氦浸泡型杜瓦為其提供低溫工作環(huán)境。通常儀器安裝在一個真空腔中，真空腔吊裝在杜瓦插件上蓋板上，安裝儀器的真空腔尺寸為φ220mm×300mm，要求杜瓦的口徑大于220mm，設(shè)計為230mm。選用二級冷頭制冷功率最大的住友rdk-415d冷頭，其一級冷頭工作溫度為50k，制冷功率為45w，二級冷頭工作溫度為4.2k，制冷功率為1.5w。一級冷頭直徑為125mm，二級冷頭直徑為64mm，兩者之間的距離為235.6mm?？梢姡磐呖趶竭h(yuǎn)大于冷頭直徑，本發(fā)明適用于超導(dǎo)重力儀插件設(shè)計。

本領(lǐng)域的技術(shù)人員容易理解，以上所述僅為本發(fā)明的較佳實施例而已，并不用以限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)所作的任何修改、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)。