一种无氦消耗蒸发制冷装置

本申请涉及制冷，尤其涉及一种无氦消耗蒸发制冷技术。

背景技术：

1、液氦温度(温度在4k附近；k为开尔文，是物理中的温度单位；0k为无法达到的绝对零度)下的实验环境通常可以通过液氦或者商业化的压缩机获得，而1k到2k的实验环境则需要在已有的4k附近的环境基础上增加新的设计才能获得。

2、用液氦来提供液氦温度环境的预冷方式称为“湿式”制冷。但是，湿式液氦蒸发腔需要持续的液氦供应，而我国的氦资源依靠进口，国内仅部分城市具有液氦供应，价格逐年上涨且供应经常不稳定。另外，受限于液氦杜瓦的设计，湿式制冷机所提供的2k以下的温度环境受到空间尺寸制约较大。此外，由于湿式制冷机需要不断消耗液氦，因此在设备运行过程中每隔一段时间就需要补充液氦。上述补充液氦过程需要中断实验，从而影响实验的连续性；而且，通过人工的方式来传输、补充液氦也使得制冷机无法完全进行远程控制和自动运行。

3、利用压缩机压缩和膨胀氦气提供液氦温度环境的制冷方式称为“干式”制冷。由于干式制冷不需要消耗液氦，因此成本更低，使用也更便捷。在现有技术中，脉管制冷技术是一种常用的干式制冷技术。但是，该技术通常只能提供液氦温度环境，而无法获得低于2k的温度。

4、目前被广泛使用的2k以下温度的商业化设备包括quantum design的综合物性测量系统(ppms，physical property measurement system)、牛津仪器的teslatronpt和稀释制冷机等设备。但是，上述设备几乎被国外市场所垄断，价格远高于成本，用户也很难在这样的设备上进行自主设计和改造以获得更低的温度。

技术实现思路

1、有鉴于此，本发明提供了一种无氦消耗蒸发制冷装置，用以实现温度2k以下的低温环境。

2、本发明的技术方案具体实现方式为：

3、一种无氦消耗蒸发制冷装置，该无氦消耗蒸发制冷装置包括：支撑框架、一级冷盘、二级冷盘、制冷盘、蒸发腔、脉管部件和循环泵；

4、所述支撑框架中设置有真空腔体；

5、所述一级冷盘设置在所述真空腔体中；所述一级冷盘的顶部通过第一支撑杆与所述支撑框架的顶部连接；所述一级冷盘的顶部设置有第一热沉；所述一级冷盘的底部设置有第一容纳腔；

6、所述二级冷盘设置在所述第一容纳腔中；所述二级冷盘的顶部通过第二支撑杆与所述一级冷盘的底部连接；所述二级冷盘的顶部设置有第二热沉；所述二级冷盘的底部设置有第二容纳腔；

7、所述制冷盘设置在所述第二容纳腔中；所述制冷盘的顶部通过第三支撑杆与所述二级冷盘的底部连接；

8、所述蒸发腔设置在所述制冷盘上；所述蒸发腔上设置有流阻器；

9、所述脉管部件的一级冷头伸入所述真空腔体中与所述一级冷盘连接；所述脉管部件的二级冷头伸入所述第一容纳腔中与所述二级冷盘连接；

10、所述循环泵的抽气端通过管路与所述蒸发腔连接；所述循环泵的进气端通过管路依次与所述第一热沉、第二热沉、流阻器和蒸发腔连接。

11、较佳的，所述流阻器包括：毛细管和金属丝；

12、所述毛细管为预设第一直径的金属管；

13、所述金属丝的直径小于所述第一直径；所述金属丝沿所述毛细管的延伸方向设置在所述毛细管的内部。

14、较佳的，所述毛细管为不锈钢管，所述金属丝为不锈钢丝。

15、较佳的，所述管路分别在所述第一热沉和第二热沉上缠绕预设的圈数，并用焊锡固定所述管路与所述第一热沉和第二热沉。

16、较佳的，所述管路中还分别设置有第一螺旋段和第二螺旋段；所述第一螺旋段和第二螺旋段均为绕成螺旋形的管路；

17、所述第一螺旋段设置在所述第一热沉与支撑框架的顶部之间；所述第二螺旋段设置在所述第二热沉与所述一级冷盘的底部之间。

18、较佳的，所述支撑框架包括：至少4根支撑柱和1个顶板；

19、所述支撑柱设置在所述顶板的底部；所述支撑柱的顶部与所述顶板的底部连接。

20、较佳的，所述支撑柱由铝合金材料制成；

21、所述顶板由不锈钢材料制成。

22、较佳的，所述第一支撑杆、第二支撑杆和第三支撑杆由不锈钢材料制成。

23、较佳的，所述第一容纳腔和第二容纳腔的外壁均由纯铝加工制成；

24、所述一级冷盘的上表面、所述第一容纳腔的外表面、所述二级冷盘的上表面和所述第二容纳腔的外表面均包裹有镀铝薄膜。

25、较佳的，所述脉管部件为脉管制冷机。

26、如上可见，本发明的无氦消耗蒸发制冷装置，先通过干式制冷的方式进行预冷，实现液氦的温度环境，然后通过循环制冷方式在氦的零消耗(即不消耗氦)的情况下实现低于2k的制冷温度，因此实现了不依赖于液氦供应的蒸发制冷机；此外，对制冷装置中各个部件的热阻设计可以有效地减小外界漏热，这也是实现2k以下的低温环境的必要条件。

技术特征：

1.一种无氦消耗蒸发制冷装置，其特征在于，该无氦消耗蒸发制冷装置包括：支撑框架、一级冷盘、二级冷盘、制冷盘、蒸发腔、脉管部件和循环泵；

2.根据权利要求1所述的无氦消耗蒸发制冷装置，其特征在于：

3.根据权利要求2所述的无氦消耗蒸发制冷装置，其特征在于：

4.根据权利要求1所述的无氦消耗蒸发制冷装置，其特征在于：

5.根据权利要求1或4所述的无氦消耗蒸发制冷装置，其特征在于：

6.根据权利要求1所述的无氦消耗蒸发制冷装置，其特征在于，所述支撑框架包括：至少4根支撑柱和1个顶板；

7.根据权利要求6所述的无氦消耗蒸发制冷装置，其特征在于：

8.根据权利要求1所述的无氦消耗蒸发制冷装置，其特征在于：

9.根据权利要求1所述的无氦消耗蒸发制冷装置，其特征在于：

10.根据权利要求1所述的无氦消耗蒸发制冷装置，其特征在于：

技术总结
本发明提供了一种无氦消耗蒸发制冷装置，包括：支撑框架、一级冷盘、二级冷盘、制冷盘、蒸发腔、脉管部件和循环泵；支撑框架中设置有真空腔体；一级冷盘设置在所述真空腔体中，一级冷盘的顶部设置有第一热沉，底部设置有第一容纳腔；二级冷盘设置在第一容纳腔中，二级冷盘的顶部设置有第二热沉，底部设置有第二容纳腔；制冷盘设置在第二容纳腔中；蒸发腔设置在制冷盘上，蒸发腔上设置有流阻器；脉管部件的一级冷头伸入真空腔体中与一级冷盘连接，二级冷头伸入第一容纳腔中与二级冷盘连接；循环泵的抽气端通过管路与蒸发腔连接，循环泵的进气端通过管路依次与第一热沉、第二热沉、流阻器和蒸发腔连接。本发明可以实现温度为2K以下的低温环境。

技术研发人员：林熙,夏昊煜,陈志谋,朱禹宣,袁帅,孙健,闫姣婕,武新宇
受保护的技术使用者：北京大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/15