本發(fā)明屬于制冷與低溫容器技術領域，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：

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)點是結構簡單，溫度相對穩(wěn)定，空間均勻性好，但需要不斷補充低溫液體，補液時產生的振動與溫度波動會干擾儀器運行，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(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，不需要補充低溫液體，但系統(tǒng)復雜。

在一些應用領域，如超導重力儀等，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蒸發(fā)的氦氣重新液化，實現(xiàn)低溫介質在杜瓦內的封閉循環(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冷頭提供。在目前技術條件下，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。以住友系列制冷機為例，一級冷頭工作在40k-65k之間，制冷功率最高可達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)化杜瓦結構，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造成的冷量損失也少。因此，在杜瓦設計中，應盡可能減小杜瓦口徑。正因為如此，gwr超導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計的參數(shù)，低溫儀器必須通過杜瓦瓶口裝入杜瓦內，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)有技術中，在某些情況下，儀器尺寸顯著大于冷頭尺寸，導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重，構成液氦封閉循環(huán)的嚴重障礙。

技術實現(xiàn)要素：

針對現(xiàn)有技術的缺陷，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)有技術中當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，導致二級冷頭的冷量損失嚴重，使得液氦封閉循環(huán)存在嚴重障礙的問題。

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、熱傳導結構和徑向防輻射屏；所述真空腔位于上部，用于環(huán)繞一級冷頭和二級冷頭，所述真空腔包括內筒，外筒和底板；所述內筒和所述外筒構成環(huán)形筒結構，所述底板接近液氦面；所述熱傳導結構位于所述內筒與所述外筒之間，用于連接所述內筒與所述外筒，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筒與所述外筒之間且環(huán)繞于所述二級冷頭設置在所述熱傳導結構下方，所述徑向防輻射屏的底部熱沉于所述底板。

更進一步地，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壁之間的間隙為毫米量級；所述真空腔的內筒的直徑大于冷頭外徑，且所述內筒的內壁與所述二級冷頭之間的間隙為毫米量級。

更進一步地，熱傳導結構在一級冷頭位置與真空腔內筒緊密熱連接，且向下延伸后與所述真空腔的所述外筒緊密熱連接。

更進一步地，徑向防輻射屏或熱傳導結構為1個或1組數(shù)個與所述真空腔同軸設置的圓筒。

更進一步地，當所述徑向防輻射屏或所述熱傳導結構為多個圓筒時，任意相鄰的兩個圓筒之間均設置有間隙。

更進一步地，真空腔的內筒和外筒的材料為熱導系數(shù)低真空漏率低的薄壁材料。

本發(fā)明通過在插件頂部設置真空腔，在真空腔內設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設置熱傳導結構，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構示意圖。

其中，1為法蘭板，2為真空腔，3為熱傳導結構，4為徑向防輻射板，5為內筒，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、技術方案及優(yōu)點更加清楚明白，以下結合附圖及實施例，對本發(fā)明進行進一步詳細說明。應當理解，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)化杜瓦插件的結構，充分利用一級冷頭冷量，減小二級冷頭的無用冷量損失，達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構。

本發(fā)明中杜瓦大口徑具體指當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)熱傳導結構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具有由內筒5和外筒6構成環(huán)形筒結構，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壁之間的間隙為毫米量級，且越小越好)，真空腔內筒的直徑大于冷頭外徑，且真空腔內筒的內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，具體為真空腔內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。

熱傳導結構3位于真空腔內，具體為連接真空腔內、外筒的金屬結構，熱傳導結構在一級冷頭位置與真空腔內筒做緊密熱連接，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)向下的熱傳導機制，即杜瓦內壁、儀器懸掛件的固體傳導和腔內氣體分子傳導。在杜瓦筒內壁厚度不變情況下，隨著杜瓦口徑增大，杜瓦筒內壁截面積成比例增大，杜瓦內壁的固體熱傳導與其截面積成正比，隨杜瓦口徑成比例增大；腔內氣體分子熱傳導與杜瓦頸部截面積成正比，以平方關系隨杜瓦口徑增大?？梢姡诖罂趶较拢磐哳i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，在插件上部設置環(huán)形真空腔真空夾層，真空腔內外筒采用熱導系數(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壁向下傳遞的熱量越少，但杜瓦的高度增大。

設置真空腔后使得杜瓦內充滿氦氣空間的截面積減小，其以氦氣為介質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，在真空腔的內筒與外筒之間同軸設置有防輻射屏，防輻射屏與真空腔內、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。設置真空腔后，二級冷頭附近的真空腔內筒溫度在4.2k附近，但真空腔外筒的溫度顯著高于內筒，內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，足以導致二級冷頭溫度達不到氦氣液化的溫度。為了解決此問題，在真空腔內下部，也可以同軸設置多個防輻射屏，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熱傳導性能優(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，防輻射屏與其內側的真空腔內側壁之間的溫度差較小，兩者之間的輻射傳導熱量減小，真空腔內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，在真空腔內外筒之間建立了熱傳導結構。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傳入液氦池的熱量大，會導致液氦的大量揮發(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壁轉入液氦池的熱量。為了達到這一目的，在真空腔內、外筒之間設置熱傳導結構。熱傳導結構在一級冷頭位置處與真空腔內筒壁連接，在低于一級冷頭的位置與真空腔外筒壁連接。熱傳導結構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、連接結構的熱傳導速率、真空腔外筒高度及其熱傳導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行優(yōu)化；具體可以采用ansys軟件進行計算。熱傳導結構的主要功能是，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置真空腔，在真空腔內設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；同時通過真空腔內設置熱傳導結構，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?，杜瓦口徑遠大于冷頭直徑，本發(fā)明適用于超導重力儀插件設計。

本領域的技術人員容易理解，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所作的任何修改、等同替換和改進等，均應包含在本發(fā)明的保護范圍之內。