無磁低振同軸脈衝管制冷機的製作方法

2023-04-28 23:56:36

專利名稱：無磁低振同軸脈衝管制冷機的製作方法
技術領域：
發明領域本實用新型屬於製冷與低溫技術領域，特別涉及一種無磁低振同軸脈衝管制冷機。
背景技術：
基於超導量子幹涉儀(SQUID)的超導器件的廣泛應用依賴於低溫系統的發展，在很多場合如宇宙空間或水下潛艇，正是由於缺乏合適的低溫系統才限制了SQUID器件的使用。使用機械製冷方法而不是將SQUID直接浸泡在盛有低溫液體的杜瓦中，近三十年來一直是低溫領域的一個挑戰。基於超導量子幹涉儀的超導器件，對環境的要求十分苛刻，例如超導地磁儀中SQUID的靈敏度大約是地磁場的10-10，一般的商用低溫制冷機不採用特殊的附加裝置根本無法與之配合工作，因為常規的低溫制冷機的振動和電磁噪聲會大大超過SQUID的信號輸出範圍，從而使SQUID的輸出變得毫無意義。
1976年美國國家標準技術研究局(NISA)的J.E.Zimmerman報導了他們創製的一種斯特林型低功率塑料制冷機，其特點是小功率、低轉速，採用非金屬材料作排出器構件，具有縫隙式回熱，取用低壓力的工質，為嘗試以機械製冷方法冷卻高靈敏的超導器件奠定了基礎。中國專利85200119「一種高效的無磁製冷機」公開了一種具有J-T級的斯特林型塑料制冷機的製作方法；中國專利85203092「無磁製冷機排出器」公開了採用夾有鋁箔的玻璃鋼排出器的選材及製作。上述兩個專利及其後發展起來的低功率塑料制冷機已經用於冷卻SQUID器件，但由於斯特林型制冷機冷頭排出器等機械運動部件的存在，它們帶來的振動及電磁幹擾信號很難消除。
脈衝管制冷機的冷端完全取消了機械運動部件，這使得它具有機械振動小和電磁幹擾小的天然優勢，因而九十年代中期以來人們提出了種種利用脈衝管制冷機冷卻SQUID器件的設想並付諸實踐。但現有的脈衝管制冷機仍然存在兩大缺陷一、對斯特林型制冷機而言，它的振動已大大減小，但系統本身特別是耦合SQUID器件的冷頭依舊存在明顯的殘餘振動，這一振動所帶來的幹擾仍然遠遠超出了SQUID器件的測量精度，甚至使得SQUID器件的測量變得毫無意義；二、制冷機各部件都採用帶有很大剩磁的材料或金屬材料製作，制冷機中的磁性部件在工作環境中所直接附加的磁幹擾信號，以及制冷機中的金屬部件在工作環境運動產生的感應渦流嚴重地幹擾SQUID器件的操作。因而直接利用普通脈衝管制冷機冷卻SQUID器件仍有很大困難。
中國專利號為89217187的實用新型專利公開了一種「帶小孔和氣庫的同軸脈衝管制冷機」，其特點是脈衝管與蓄冷器同軸放置，帶節流小孔和氣庫，脈衝管和節流小孔及氣庫結合在一起，脈衝管與蓄冷器之間設低導熱材料製作的絕熱層或真空層，蓄冷器入口設配氣裝置。以這種典型的同軸脈衝管制冷機為例，由於冷頭沒有採取任何措施，在典型充氣壓力1.8Mpa，典型操作頻率50Hz的情況下，可以探測到冷頭隨著脈衝管的伸縮而在Z軸有一個10～20μm的彈性伸縮量，這樣，在當地地磁場強度沿Z軸的變化率為250nT/m的情況下，這一伸縮量所帶來的磁場變化大約為2.5～5.0pT，這一磁場變化對SQUID的影響是巨大的；它的主要部件都採用帶有很大剩磁的材料或金屬材料製作的，如脈衝管和蓄冷器管壁由薄壁不鏽鋼管或鈦合金管制作，蓄冷器填料是由細金屬絲網，小金屬球或顆粒組成，熱端法蘭和真空罩由不鏽鋼製作，各導流器採用不鏽鋼或銅製作，冷熱端換熱器由純銅加工而成，由材料所附加的磁幹擾信號及產生的感應渦流也遠遠超出了SQUID器件所能容忍的上限；它的制冷機各部件之間的連接採用螺紋及焊接的方式，焊接所帶來較大的磁性雜質也影響到了SQUID的測量；其壓縮機與制冷機本體之間採用剛性連接，剛性連接將壓縮機本身的振動直接傳導到制冷機，這種振動幹擾有時嚴重到使得SQUID器件的操作無法進行；它在脈衝管冷端不設導流器，或僅採用密集打孔的平板，不能保證氣流在180度折轉範圍內的平穩和均勻，從而誘發冷端換熱器的振動，並影響製冷效率。鑑於以上這些缺點，以此種類型脈衝管制冷機為代表的現有同軸脈衝管制冷機不能直接服務於SQUID器件的操作。

發明內容
本實用新型的目的在於，以在冷端換熱器上方額外建立分離冷平臺的振動補償方法消除現有脈衝管制冷機中系統特別是冷端換熱器振動對SQUID器件產生的嚴重幹擾；以採用一系列無磁非金屬電絕緣的材料完全替代制冷機中的磁性或金屬材料的方法克服常規脈衝管制冷機中磁性或金屬材料對高靈敏度的SQUID器件的電磁幹擾；使用低溫膠粘劑實現制冷機各部件之間的連接，以消除焊接所帶來的磁性雜質；以柔性連接取代壓縮機與制冷機本體之間的剛性連接，緩解或消除壓縮機的振動幹擾；在脈衝管冷端和冷端換熱器之間設置拱形導流器，以實現氣流在180度折轉範圍內的平穩均勻，減小對冷端換熱器的振動影響。有效克服振動與電磁幹擾這兩大將脈衝管制冷機應用到微弱磁場測量上的兩大障礙，從而提供一種低振動無磁同軸脈衝管制冷機，以實現同軸脈衝管制冷機的低振動、低電磁幹擾化甚至無電磁幹擾化，並最終實現利用脈衝管制冷機有效冷卻包括高溫超導量子幹涉儀(HTc-SQUIDs)在內的對電磁幹擾要求極嚴格的高溫超導器件。
本實用新型的技術方案如下本實用新型提供的無磁同軸脈衝管制冷機，在真空室中，脈衝管3和蓄冷器4同軸放置，之間填有蓄冷填料12，脈衝管3冷端裝有脈衝管冷端導流器1，蓄冷器冷端裝有蓄冷器冷端導流器13，制冷機冷端裝有冷端熱交換器2，脈衝管熱端裝有熱端導流器9和熱交換器，熱交換器和氣庫7之間的管道上設有節流小孔6，壓縮機17與脈衝管熱端導流器9相連通，其特徵在於，脈衝管3冷端及其管外的蓄冷填料伸出蓄冷管冷端之外，所述脈衝管冷端導流器1為拱形導流器，安裝在脈衝管3冷端的伸出段及端部，該拱形脈衝管冷端導流器1的拱形部分設有密集垂向通孔，拱形脈衝管冷端導流器1的圓環形外側壁上均勻地開設有垂向槽；一由高導熱材料製作的罩蓋型冷端熱交換器2將所述冷端導流器1及蓄冷器3冷端罩在其中，罩蓋型冷端熱交換器2的邊緣與所述蓄冷器3冷端外壁邊緣使用低溫膠粘劑密封粘結；在冷端換熱器2之上方設有由垂直固定於熱端法蘭5上的支撐杆14支撐的水平分離冷平臺16，水平分離冷平臺16與冷端換熱器2之間連接有柔性導熱帶15，該柔性導熱帶15的長度大於水平分離冷平臺16與冷端換熱器2之間的垂直距離；一其內插裝有脈衝管熱端導流器9和蓄冷器熱端導流器10的作熱端交換器用的熱端法蘭5與真空罩11的法蘭密封連接；節流小孔6下方的連接管道上連通一調相毛細管8；一與屏蔽後的壓縮機17相連通的柔性連接軟管19穿過熱端法蘭5上的通氣孔191與所述蓄冷器熱端導流器10相連通，調相毛細管8的另一端與通氣孔191相連通；所述蓄冷器4管壁採用低磁化率、低導熱率、極低空隙率的可加工陶瓷製作；所述脈衝管3管壁採用低導熱率的尼龍1010塑料製作；所述蓄冷填料12由緊密壓摞的多層環形尼龍6.6絲網薄片組成，同軸填充在所述蓄冷器壁和所述脈衝管壁之間，環形尼龍6.6絲網薄片的內徑與所述的脈衝管外徑等尺寸，環形尼龍6.6絲網薄片的外徑與所述的蓄冷器內徑等尺寸；所述熱端法蘭5和真空罩11均採用磁化率很低的亞克力有機玻璃加工而成；所述冷端換熱器2和所述水平分離冷平臺16採用低磁化率、高熱導率的氮化硼陶瓷製作；所述冷端換熱器2的邊緣與所述蓄冷器2的冷端外壁邊緣採用DW-3低溫膠粘結密封；所述脈衝管3及所述蓄冷器4的熱端外壁邊緣採用DW-3低溫膠與所述熱端法蘭5粘結密封。
本實用新型的特點是在冷端換熱器之上設置水平分離冷平臺16，使用時將SQUID器件置於水平分離冷平臺之上，從而將SQUID器件與有較大振動的冷頭從物理上分離開來，該水平分離冷平臺固定在穩定的熱端法蘭之上，並由鬆弛放置的柔性導熱帶在冷端換熱器和分離冷平臺之間傳遞熱量，從而在確保SQUID器件所需熱量的同時消除冷頭振動對SQUID器件產生的幹擾；在脈衝管冷端伸出部位與冷端換熱器之間設置拱形導流器，實現氣流在180度折轉範圍內的平穩均勻，減小氣流誘發的冷端換熱器振動；採用低溫膠粘劑替代螺紋和焊接密封，消除了焊接所帶來磁性雜質的電磁幹擾影響；以柔性連接替代壓縮機與制冷機本體之間的剛性連接，減弱甚至消除了壓縮機的振動幹擾；以磁化率很低的非金屬材料完全替代常規脈衝管制冷機中的磁性及金屬部件，消除了材料附加的電磁信號及感應渦流；這樣就有效地克服了振動與電磁幹擾這兩大將脈衝管制冷機應用到微弱磁場測量的兩大障礙，具有振動小，電磁幹擾小、冷端熱漏小、重量輕、結構緊湊等優點，非常適合於冷卻高溫超導量子幹涉儀(HTc-SQUIDs)等對電磁幹擾要求極嚴格的高溫超導器件。


圖1為本實用新型裝置中無磁低振同軸脈衝管制冷機的結構示意圖；圖2為拱形脈衝管冷端導流器1的結構示意圖；圖3為圖2的俯視圖；其中拱形脈衝管冷端導流器1 罩蓋型冷端熱交換器2脈衝管3蓄冷器熱端導流器10蓄冷器冷端導流器13 水平分離冷平臺16蓄冷器4熱端法蘭5 節流小孔6氣庫7 調相毛細管8 熱端導流器9真空罩11 蓄冷填料12通氣孔191支撐杆14 柔性導熱帶15 柔性連接軟管19分離冷平臺16 壓縮機17 屏蔽金屬板18垂向通孔111垂向槽11具體實施方式
以下結合附圖及實施實例進一步描述本實用新型圖1所示為本實用新型無磁低振同軸脈衝管制冷機的結構示意圖，由圖可知，本實用新型的無磁低振同軸脈衝管制冷機，在真空室中，脈衝管3和蓄冷器4同軸放置，之間填有蓄冷填料12，脈衝管3冷端裝有脈衝管冷端導流器1，蓄冷器冷端裝有蓄冷器冷端導流器13，制冷機冷端裝有冷端熱交換器2，脈衝管熱端裝有熱端導流器9和熱交換器，熱交換器和氣庫7之間的管道上設有節流小孔6，壓縮機17與脈衝管熱端導流器9相連通，其特徵在於，脈衝管3冷端及其管外的蓄冷填料伸出蓄冷器的蓄冷管冷端之外，由圖2和圖3可知，所述脈衝管冷端導流器1為拱形導流器，安裝在脈衝管3冷端伸出段及端部，該拱形脈衝管冷端導流器1的拱形部分設有密集垂向通孔111，拱形脈衝管冷端導流器1的圓環形外側壁上均勻地開設有垂向槽112；一由高導熱材料製作的罩蓋型冷端熱交換器2將所述冷端導流器1及蓄冷器3冷端罩在其中，罩蓋型冷端熱交換器2的邊緣與所述蓄冷器3冷端外壁邊緣使用低溫膠粘劑密封粘結；在冷端換熱器2之上方設有由三根垂直固定於熱端法蘭5上的支撐杆14支撐的水平分離冷平臺16，水平分離冷平臺16與冷端換熱器2之間連接有柔性導熱帶15，該柔性導熱帶15的長度大於水平分離冷平臺16與冷端換熱器2之間的垂直距離；該柔性導熱帶15將冷端換熱器2的熱量傳導到所述水平分離冷平臺16上，同時不把振動傳遞過去；一其內插裝脈衝管熱端導流器9和蓄冷器熱端導流器10的作熱端交換器用的熱端法蘭5與真空罩11的法蘭密封連接；節流小孔6下方的連接管道上連通一調相毛細管8；一與屏蔽後的壓縮機17相連通的柔性連接軟管19穿過熱端法蘭5上的通氣孔191與所述蓄冷器熱端導流器10相連通，調相毛細管8的另一端與通氣孔191相連通；所述蓄冷器4管壁採用低磁化率、低導熱率、極低空隙率的可加工陶瓷製作；所述脈衝管3管壁採用低導熱率的尼龍1010塑料製作；所述蓄冷填料12由緊密壓摞的多層環形尼龍6.6絲網薄片組成，同軸填充在所述蓄冷器壁和所述脈衝管壁之間，環形尼龍6.6絲網薄片的內徑與所述的脈衝管外徑等尺寸，環形尼龍6.6絲網薄片的外徑與所述的蓄冷器內徑等尺寸；所述熱端法蘭5和真空罩11均採用磁化率很低的亞克力有機玻璃加工而成；所述冷端換熱器2和所述水平分離冷平臺16採用低磁化率、高熱導率的氮化硼陶瓷製作；所述冷端換熱器2的邊緣與所述蓄冷器2的冷端外壁邊緣採用DW-3低溫膠粘結密封；所述脈衝管3及所述蓄冷器4的熱端外壁邊緣採用DW-3低溫膠與所述熱端法蘭5粘結密封。
所述脈衝管熱端導流器9和氣庫7之間節流小孔5下方的連接管道上連通一調相毛細管8，經過金屬板18屏蔽的壓縮機17通過通過長為2-4米的聚醯亞胺塑料軟管19連接到所述熱端法蘭5上並與所述導流器10相連通，所述調相毛細管8上埠與所述連接軟管17相連通；所述蓄冷器4管壁採用低磁化率、低導熱率、極低空隙率的可加工陶瓷製作；所述脈衝管3管壁採用低導熱率的尼龍1010塑料製作；所述脈衝管制冷機的蓄冷器填料由緊密壓制的多層環形尼龍6.6絲網薄片組成，同軸填充在所述蓄冷器壁和所述脈衝管壁之間。環形尼龍6.6絲網薄片的內徑與所述的脈衝管外徑等尺寸，環形尼龍6.6絲網薄片的外徑與所述的蓄冷器內徑等尺寸。
權利要求1.一種無磁低振同軸脈衝管制冷機，在真空室中，脈衝管(3)和蓄冷器(4)同軸放置，之間填有蓄冷填料(12)，脈衝管(3)冷端裝有脈衝管冷端導流器(1)，蓄冷器冷端裝有蓄冷器冷端導流器(13)，制冷機冷端裝有冷端熱交換器(2)，脈衝管熱端裝有熱端導流器(9)和熱交換器，熱交換器和氣庫(7)之間的管道上設有節流小孔(6)，壓縮機(17)與脈衝管熱端導流器(9)相連通，其特徵在於，脈衝管(3)冷端及其管外的蓄冷填料伸出蓄冷管冷端之外，所述脈衝管冷端導流器(1)為拱形導流器，安裝在脈衝管(3)冷端的伸出段及端部，該拱形脈衝管冷端導流器(1)的拱形部分設有密集垂向通孔，拱形脈衝管冷端導流器(1)的圓環形外側壁上均勻地開設有垂向槽；一由高導熱材料製作的罩蓋型冷端熱交換器(2)將所述冷端導流器(1)及蓄冷器(3)冷端罩在其中，罩蓋型冷端熱交換器(2)的邊緣與所述蓄冷器(3)冷端外壁邊緣使用低溫膠粘劑密封粘結；在冷端換熱器(2)之上方設有由垂直固定於熱端法蘭(5)上的支撐杆(14)支撐的水平分離冷平臺(16)，水平分離冷平臺(16)與冷端換熱器(2)之間連接有柔性導熱帶(15)，該柔性導熱帶(15)的長度大於水平分離冷平臺(16)與冷端換熱器(2)之間的垂直距離；一其內插裝有脈衝管熱端導流器(9)和蓄冷器熱端導流器(10)的作熱端交換器用的熱端法蘭(5)與真空罩(11)的法蘭密封連接；節流小孔(6)下方的連接管道上連通一調相毛細管(8)；一與屏蔽後的壓縮機(17)相連通的柔性連接軟管(19)穿過熱端法蘭(5)上的通氣孔(191)與所述蓄冷器熱端導流器(10)相連通，調相毛細管(8)的另一端與通氣孔(191)相連通。
2.按權利要求1所述的無磁低振同軸脈衝管制冷機，其特徵在於，所述蓄冷器(4)管壁採用低磁化率、低導熱率、極低空隙率的可加工陶瓷製作；所述脈衝管(3)管壁採用低導熱率的尼龍1010塑料製作。
3.按權利要求1所述的無磁低振同軸脈衝管制冷機，其特徵在於，所述蓄冷填料(12)由緊密壓摞的多層環形尼龍6.6絲網薄片組成，同軸填充在所述蓄冷器壁和所述脈衝管壁之間，環形尼龍6.6絲網薄片的內徑與所述的脈衝管外徑等尺寸，環形尼龍6.6絲網薄片的外徑與所述的蓄冷器內徑等尺寸。
4.按權利要求1所述的無磁低振同軸脈衝管制冷機，其特徵在於，所述熱端法蘭(5)和真空罩(11)均採用磁化率很低的亞克力有機玻璃加工而成；所述冷端換熱器(2)和所述水平分離冷平臺(16)採用低磁化率、高熱導率的氮化硼陶瓷製作。
5.按權利要求1所述的無磁低振同軸脈衝管制冷機，其特徵在於，所述冷端換熱器(2)的邊緣與所述蓄冷器(2)的冷端外壁邊緣採用DW-3低溫膠粘結密封；所述脈衝管(3)及所述蓄冷器(4)的熱端外壁邊緣採用DW-3低溫膠與所述熱端法蘭(5)粘結密封。
專利摘要本實用新型涉及的無磁低振同軸脈衝管制冷機，脈衝管和蓄冷器同軸放置，之間填有蓄冷填料，脈衝管冷端伸出蓄冷管之外，拱形導流器裝在該伸出段及端部，其拱形部分有密集垂向通孔，圓環形外側壁上均勻地開設有垂向槽；罩蓋型冷端熱交換器將其罩在其中並密封粘結；冷端換熱器之上方設有由垂直固定於熱端法蘭上的支撐杆支撐的水平分離冷平臺，冷平臺與冷端換熱器間連有柔性導熱帶；節流小孔下方的連接管道上連通調相毛細管；與屏蔽後的壓縮機相連通的柔性連接軟管穿過熱端法蘭上的通氣孔與熱端導流器相通，調相毛細管另一端與通氣孔相通；其所有部件由磁化率很低的非金屬材料製作，具有振動小，電磁幹擾小、冷端熱漏小、重量輕、結構緊湊等優點。
文檔編號F25B9/00GK2566196SQ02239738
公開日2003年8月13日 申請日期2002年7月9日 優先權日2002年7月9日
發明者巨永林, 黨海政, 周遠 申請人:中國科學院理化技術研究所