一种基于GM制冷机的插入式低温泵的制作方法

本发明涉及低温泵，尤其涉及一种基于gm制冷机的插入式低温泵。

背景技术：

1、低温泵是一种利用低温部件对真空腔室内气体进行冷凝或吸附以获得真空环境的设备，常用于冻结氮气、氩气等可凝性气体，或通过粘接在极低温部件上的活性炭吸附氢气等非可凝性气体。随着紧凑型聚变试验设备的发展，其对低温泵的安装空间及氢气抽速提出了更高要求，为减少低温泵与设备外部结构之间的空间干涉并缩短氢气分子到达吸附表面的运动路径，低温泵逐渐向插入真空腔室内部的结构形式发展；同时，为获得每秒数万升甚至更高的氢气抽速，还需要进一步增大活性炭吸附面积及低温泵整体尺寸。现有低温泵的冷却、捕气及支承结构多基于常规尺寸和使用条件进行设计，在紧凑型聚变试验设备对安装空间和氢气抽速提出更高要求后，原有结构已难以直接适应。为获得较高的氢气抽速，需要相应增大活性炭吸附面积，使冷板及低温泵整体尺寸显著增加，而低温泵内部各构件又处于不同温度区间，大尺寸液氮管、防辐射屏、支承结构及深低温冷板在降温过程中产生的冷缩变形更加明显，容易造成结构变形、连接部位受力增大以及不同温区之间的热量传递。同时，大面积活性炭吸附冷板受到的热辐射负荷也随之增加，容易影响深低温冷板的温度及氢气吸附性能。因此，现有低温泵在用于大尺寸、高氢气抽速的紧凑型聚变试验设备时，仍存在冷缩变形难以协调、不同温区之间热传导较大以及深低温吸附区域热辐射负荷较高等问题，进而限制其在紧凑型聚变试验设备中的应用。

技术实现思路

1、发明目的：本发明的目的是提供一种氢气抽速高、能够适应低温冷缩变形且结构稳定的基于gm制冷机的插入式低温泵。

2、技术方案：本发明所述的基于gm制冷机的插入式低温泵，包括用于与真空腔室密封连接的真空罩板，用于形成低温热屏蔽的液氮冷却组件以及用于低温捕集气体的gm制冷捕气组件，所述液氮冷却组件包括防辐射屏、挡板和液氮管；所述gm制冷捕气组件包括gm制冷机的低温制冷端和冷板；所述防辐射屏、挡板和冷板设置于所述真空罩板的真空侧；所述液氮管贯穿所述真空罩板，并在所述真空罩板的真空侧沿所述防辐射屏及挡板布置且与二者导热连接；所述低温制冷端由所述真空罩板的大气侧伸入真空侧；所述防辐射屏围设于所述挡板和冷板的外侧形成具有开放侧的屏蔽空间，所述挡板与所述冷板自所述开放侧向所述屏蔽空间内部交替间隔设置。

3、所述插入式低温泵还包括用于适应低温构件形变的形变补偿组件，以及用于降低不同温区构件之间热传导的热隔离组件；所述形变补偿组件包括设置于所述gm制冷捕气组件的导冷补偿部和支承补偿部；所述冷板的两端分别连接有冷板连接件，靠近所述低温制冷端的冷板连接件通过所述导冷补偿部与所述低温制冷端导热连接，远离所述低温制冷端的冷板连接件通过所述支承补偿部支承于远离所述低温制冷端一侧的防辐射屏；所述热隔离组件设置于具有温差的构件之间的机械连接部位；所述液氮管穿过所述冷板连接件并与其间隔设置。

4、优选地，还包括框架支承组件，所述框架支承组件包括框架支架、支架连杆和横梁，所述框架支架通过所述支架连杆与所述真空罩板连接，所述防辐射屏连接于所述框架支架上，所述横梁连接于相邻的所述框架支架之间并位于所述防辐射屏的外侧；所述形变补偿组件还包括设置于所述液氮管上的液氮波纹管、设置于所述防辐射屏与所述框架支架连接处的槽形孔、设置于所述防辐射屏上的屏折弯以及设置于所述横梁上的横梁折弯，所述槽形孔沿垂直于所述真空罩板的方向延伸。

5、优选地，位于所述冷板远离所述低温制冷端一侧的防辐射屏上设有底端支撑板，所述支承补偿部连接于所述冷板连接件与所述底端支撑板之间；所述热隔离组件包括绝热垫片，所述支架连杆与所述真空罩板之间、所述支架连杆与所述框架支架之间、所述支承补偿部与所述冷板连接件之间以及所述支承补偿部与所述底端支撑板之间分别设有所述绝热垫片。

6、优选地，所述真空罩板的大气侧设有颈管，所述gm制冷机沿所述颈管设置；所述低温制冷端包括依次连接的一级制冷段和二级制冷段，所述二级制冷段的末端伸入所述屏蔽空间并与所述导冷补偿部导热连接。

7、优选地，所述颈管和所述gm制冷机均设有多个且一一对应，各所述gm制冷机的二级制冷段分别通过对应的所述导冷补偿部与同一所述冷板连接件导热连接。

8、优选地，所述导冷补偿部为具有折弯段的导热板，所述支承补偿部为弧形弹片，所述导冷补偿部和所述支承补偿部均能够沿所述冷板的长度方向弹性变形，且所述支承补偿部沿所述冷板长度方向的弹性变形量大于所述导冷补偿部的弹性变形量。

9、优选地，所述挡板包括一级挡板、二级挡板和三级挡板，所述冷板包括一级冷板、二级冷板和三级冷板，所述一级挡板、一级冷板、二级挡板、二级冷板、三级挡板和三级冷板自所述开放侧向所述屏蔽空间内部依次间隔设置。

10、优选地，所述一级冷板和所述二级冷板均呈人字形，所述三级冷板呈直板状并沿由所述开放侧指向所述屏蔽空间内部的方向设置，所述三级冷板的表面积分别大于所述一级冷板和所述二级冷板的表面积，所述三级冷板的表面设有活性炭吸附层。

11、优选地，所述液氮管位于所述真空罩板真空侧的部分包括相互连通的多个冷却管段，多个所述冷却管段分别沿所述防辐射屏和各所述挡板布置并与其导热连接，其中，分别与所述一级挡板、二级挡板和三级挡板导热连接的冷却管段穿过所述冷板连接件并与所述冷板连接件间隔设置。

12、优选地，所述一级冷板、二级冷板和三级冷板靠近所述低温制冷端的一端共同连接于一所述冷板连接件，远离所述低温制冷端的一端共同连接于另一所述冷板连接件。

13、有益效果：与现有技术相比，本发明具有如下显著优点：通过将液氮冷却的防辐射屏及挡板与gm制冷机冷却的冷板设置于真空腔室内，并采用挡板与冷板交替布置的结构降低冷板受到的热辐射，同时在冷板两端设置能够适应不同冷缩位移的形变补偿结构，并在不同温区构件的机械连接位置进行热隔离，使低温泵在增大冷板及活性炭吸附面积的情况下仍能适应大型低温构件产生的冷缩变形，减少不同温区之间的热量传递，从而具有氢气抽速高、能够适应低温冷缩变形且结构稳定的特点。

1.一种基于gm制冷机的插入式低温泵，包括用于与真空腔室密封连接的真空罩板（101），用于形成低温热屏蔽的液氮冷却组件以及用于低温捕集气体的gm制冷捕气组件，其特征在于：所述液氮冷却组件包括防辐射屏（103）、挡板和液氮管（21）；所述gm制冷捕气组件包括gm制冷机（10）的低温制冷端和冷板；所述防辐射屏（103）、挡板和冷板设置于所述真空罩板（101）的真空侧；所述液氮管（21）贯穿所述真空罩板（101），并在所述真空罩板（101）的真空侧沿所述防辐射屏（103）及挡板布置且与二者导热连接；所述低温制冷端由所述真空罩板（101）的大气侧伸入真空侧；所述防辐射屏（103）围设于所述挡板和冷板的外侧形成具有开放侧的屏蔽空间，所述挡板与所述冷板自所述开放侧向所述屏蔽空间内部交替间隔设置；

2.根据权利要求1所述的插入式低温泵，其特征在于：还包括框架支承组件，所述框架支承组件包括框架支架（102）、支架连杆（107）和横梁（105），所述框架支架（102）通过所述支架连杆（107）与所述真空罩板（101）连接，所述防辐射屏（103）连接于所述框架支架（102）上，所述横梁（105）连接于相邻的所述框架支架（102）之间并位于所述防辐射屏（103）的外侧；所述形变补偿组件还包括设置于所述液氮管（21）上的液氮波纹管（22）、设置于所述防辐射屏（103）与所述框架支架（102）连接处的槽形孔、设置于所述防辐射屏（103）上的屏折弯（104）以及设置于所述横梁（105）上的横梁折弯（106），所述槽形孔沿垂直于所述真空罩板（101）的方向延伸。

3.根据权利要求2所述的插入式低温泵，其特征在于：位于所述冷板远离所述低温制冷端一侧的防辐射屏（103）上设有底端支撑板（111），所述支承补偿部（112）连接于所述冷板连接件（110）与所述底端支撑板（111）之间；所述热隔离组件包括绝热垫片（108），所述支架连杆（107）与所述真空罩板（101）之间、所述支架连杆（107）与所述框架支架（102）之间、所述支承补偿部（112）与所述冷板连接件（110）之间以及所述支承补偿部（112）与所述底端支撑板（111）之间分别设有所述绝热垫片（108）。

4.根据权利要求1所述的插入式低温泵，其特征在于：所述真空罩板（101）的大气侧设有颈管（113），所述gm制冷机（10）沿所述颈管（113）设置；所述低温制冷端包括依次连接的一级制冷段（114）和二级制冷段（115），所述二级制冷段（115）的末端伸入所述屏蔽空间并与所述导冷补偿部（109）导热连接。

5.根据权利要求4所述的插入式低温泵，其特征在于：所述颈管（113）和所述gm制冷机（10）均设有多个且一一对应，各所述gm制冷机（10）的二级制冷段（115）分别通过对应的所述导冷补偿部（109）与同一所述冷板连接件（110）导热连接。

6.根据权利要求1所述的插入式低温泵，其特征在于：所述导冷补偿部（109）为具有折弯段的导热板，所述支承补偿部（112）为弧形弹片，所述导冷补偿部（109）和所述支承补偿部（112）均能够沿所述冷板的长度方向弹性变形，且所述支承补偿部（112）沿所述冷板长度方向的弹性变形量大于所述导冷补偿部（109）的弹性变形量。

7.根据权利要求1所述的插入式低温泵，其特征在于：所述挡板包括一级挡板（30）、二级挡板（32）和三级挡板（34），所述冷板包括一级冷板（31）、二级冷板（33）和三级冷板（35），所述一级挡板（30）、一级冷板（31）、二级挡板（32）、二级冷板（33）、三级挡板（34）和三级冷板（35）自所述开放侧向所述屏蔽空间内部依次间隔设置。

8.根据权利要求7所述的插入式低温泵，其特征在于：所述一级冷板（31）和所述二级冷板（33）均呈人字形，所述三级冷板（35）呈直板状并沿由所述开放侧指向所述屏蔽空间内部的方向设置，所述三级冷板（35）的表面积分别大于所述一级冷板（31）和所述二级冷板（33）的表面积，所述三级冷板（35）的表面设有活性炭吸附层。

9.根据权利要求7所述的插入式低温泵，其特征在于：所述液氮管（21）位于所述真空罩板（101）真空侧的部分包括相互连通的多个冷却管段，多个所述冷却管段分别沿所述防辐射屏（103）和各所述挡板布置并与其导热连接，其中，分别与所述一级挡板（30）、二级挡板（32）和三级挡板（34）导热连接的冷却管段穿过所述冷板连接件（110）并与所述冷板连接件（110）间隔设置。

10.根据权利要求7所述的插入式低温泵，其特征在于：所述一级冷板（31）、二级冷板（33）和三级冷板（35）靠近所述低温制冷端的一端共同连接于一所述冷板连接件（110），远离所述低温制冷端的一端共同连接于另一所述冷板连接件（110）。