一种免液氦低温系统的1.5K超低温实现系统及方法与流程

本发明涉及超低温技术实现领域，尤其涉及一种免液氦低温系统的1.5k超低温实现系统及方法。

背景技术：

随着科学技术的不断发展，极端环境下的材料物性的探测或测试需求越来越强烈，尤其是1.5k温区的极低温环境。

目前无液氦的低温制冷机制冷技术的发展日趋成熟，但成熟商用的低温制冷机一般只能实现3k左右的极限低温，而对于1.5k左右温区的低温实现，现阶段较为常用的技术是以gm制冷机或脉管制冷机为冷源进行预冷，然后通过节流 抽空的形式实现极低温环境。该常用的节流 抽空的技术是指系统通过节流的方式将制冷机预冷后4.2k降温到超流氦温区，然后再通过减压抽空的形式实现1.5k或更低温度。也就是说，该节流 抽空的方式仅是一个技术路径，其低温实践需要不同的操作方法来实现。但目前针对该技术的操作方法的详细介绍，各公司或研究者均未详细发表，只是在产品操作的过程中总结了一些诸如抽空时间长、置换不彻底、降温过程易堵等缺点，然后进行改进。

技术实现要素：

本发明所要解决的技术问题是提供一种抽空时间短、气体置换彻底、降温过程不易堵的免液氦低温系统的1.5k超低温实现系统。

本发明所要解决的另一个技术问题是提供一种免液氦低温系统的1.5k超低温实现方法。

为解决上述问题，本发明所述的一种免液氦低温系统的1.5k超低温实现系统，其特征在于：该系统包括通过低温恒温器顶法兰连接在一起的制冷机和低温恒温器筒体以及制冷流量控制器、缓冲罐和循环泵；所述低温恒温器筒体内设有一级冷屏组件，该一级冷屏组件与所述制冷机的一级冷头相连；所述一级冷屏组件上设有吸附冷阱，该一级冷屏组件内设有二级冷屏组件；所述吸附冷阱的进口ⅰ通过管线ⅰ与制冷流量控制器的出口ⅰ连接，该制冷流量控制器的进口ⅱ通过管线ⅱ分别连有所述缓冲罐、管线ⅲ；所述缓冲罐的一侧连有管线ⅳ，该管线ⅳ分别与外部氦气源的补气管线和循环气管线相接；所述二级冷屏组件内设有连接在一起的回热换热器和氦池，该二级冷屏组件与所述制冷机的二级冷头相连；所述回热换热器的热流体侧的进口ⅲ通过软管与所述吸附冷阱的出口ⅱ相连，热流体侧的出口ⅲ通过管线ⅴ经节流阀与所述氦池的进口ⅳ相连；所述氦池的出口ⅳ通过管线ⅵ与所述回热换热器的冷流体侧的进口ⅴ相连，该回热换热器的冷流体侧的出口ⅴ连有管线ⅶ；所述管线ⅶ分别与所述管线ⅲ、所述循环泵相连，该循环泵分别与所述循环气管线、旁路管线相连；所述旁路管线与所述管线ⅲ相接；所述循环气管线连有排气管线。

所述一级冷屏组件由一级冷屏筒体和一级冷屏顶法兰连接而成，该一级冷屏顶法兰与所述制冷机的一级冷头相连；所述一级冷屏顶法兰上设有所述吸附冷阱。

所述二级冷屏组件由二级冷屏顶法兰和置于所述一级冷屏筒体内的二级冷屏筒体连接而成，该二级冷屏顶法兰与所述制冷机的二级冷头相连。

所述管线ⅱ上设有气动阀ⅰ，该管线ⅱ与所述旁路管线之间的所述管线ⅲ上设有气动阀ⅱ。

所述补气管线上设有补气阀。

所述循环气管线上设有循环气动阀。

所述管线ⅶ上设有手动阀。

所述旁路管线上设有旁通阀。

所述排气管线上设有排气阀。

一种免液氦低温系统的1.5k超低温实现方法，包括以下步骤：

⑴系统抽空过程：

关闭循环泵的旁通阀和循环气动阀以及补气阀，完全打开节流阀、手动阀、气动阀ⅰ、气动阀ⅱ、制冷流量控制器、排气阀，开启所述循环泵对系统管路抽真空至＜10pa；

⑵管道流洗置换过程：

将氦气源与补气管线相接，关闭所述排气阀和所述循环泵，完全打开所述旁通阀、所述循环气动阀、所述补气阀对系统进行充气；充气完成后按照所述步骤⑴进行抽空，如此充气抽空反复三次，即完成管道流洗置换过程；

⑶管道充气过程：

打开氦气源和所述补气阀，关闭所述排气阀和所述循环泵，并完全打开所述旁通阀、所述循环气动阀、所述节流阀、所述手动阀、所述气动阀ⅰ、所述气动阀ⅱ，对系统进行充气，观察缓冲罐压力读数到工作压力后，即完成充气过程；

⑷系统降温、回温：

开启制冷机，并打开所述手动阀、所述循环气动阀、所述气动阀ⅰ和所述循环泵，调节所述制冷流量控制器至设计流量，进行气体循环降温，直至1.5k温区；然后进行材料物性的测试，测试完成后，关闭所述制冷机、所述循环泵，打开所述旁通阀，进行系统回温即可。

本发明与现有技术相比具有以下优点：

1、本发明设有与缓冲罐相连、外部氦气源的补气管线，该补气管线上设有补气阀，通过补气阀的控制，实现降温前对系统进行补气、气体置换彻底的目的。

2、本发明中循环气管线连有排气管线，该排气管线上设有排气阀，通过排气阀的控制，实现系统进行流洗置换过程中排气的目的。

3、本发明中循环泵领域旁路管线，该旁路管线上设有旁通阀，通过旁通阀的控制，实现调节泵的抽速的目的，进而缩短抽空时间。

4、本发明操作时设置了开机前抽空过程和管道的流洗置换过程，可在降温前将管道处理干净，因此，降温过程不易堵。

5、本发明以节流 抽空为技术路径，根据整个系统的流程阶段进行不同的阀门控制操作，从而实现1.5k或更低温度的降温。

附图说明

下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步详细的说明。

图1为本发明的结构示意图。

图中：1-制冷机；2-吸附冷阱；3-低温恒温器顶法兰；4-低温恒温器筒体；5-一级冷屏顶法兰；6-一级冷屏筒体；7-二级冷屏顶法兰；8-二级冷屏筒体；9-回热换热器；10-节流阀；11-氦池；12-制冷流量控制器；13-缓冲罐；14-循环泵；15-气动阀ⅰ；16-气动阀ⅱ；17-补气阀；18-循环气动阀；19-手动阀；20-旁通阀；21-排气阀。

具体实施方式

如图1所示，一种免液氦低温系统的1.5k超低温实现系统，该系统包括通过低温恒温器顶法兰3连接在一起的制冷机1和低温恒温器筒体4以及制冷流量控制器12、缓冲罐13和循环泵14。低温恒温器顶法兰3低温恒温器筒体4组成低温恒温器，起到真空绝热的作用。

低温恒温器筒体4内设有一级冷屏组件，该一级冷屏组件与制冷机1的一级冷头相连；一级冷屏组件上设有吸附冷阱2，该一级冷屏组件内设有二级冷屏组件；吸附冷阱2的进口ⅰ通过管线ⅰ与制冷流量控制器12的出口ⅰ连接，其目的是将控制好流量的氦气通入吸附冷阱2进行降温和吸附除杂。该制冷流量控制器12的进口ⅱ通过管线ⅱ分别连有缓冲罐13、管线ⅲ；缓冲罐13的一侧连有管线ⅳ，该管线ⅳ分别与外部氦气源的补气管线和循环气管线相接；二级冷屏组件内设有连接在一起的回热换热器9和氦池11，该二级冷屏组件与制冷机1的二级冷头相连；回热换热器9的热流体侧的进口ⅲ通过软管与吸附冷阱2的出口ⅱ相连，热流体侧的出口ⅲ通过管线ⅴ经节流阀10与氦池11的进口ⅳ相连；氦池11的出口ⅳ通过管线ⅵ与回热换热器9的冷流体侧的进口ⅴ相连，如此在低温恒温器内部形成一个闭合管路。该回热换热器9的冷流体侧的出口ⅴ连有管线ⅶ；管线ⅶ分别与管线ⅲ、循环泵14相连，该循环泵14分别与循环气管线、旁路管线相连；旁路管线与管线ⅲ相接；循环气管线连有排气管线。

其中：一级冷屏组件由一级冷屏筒体6和一级冷屏顶法兰5连接而成，该一级冷屏顶法兰5与制冷机1的一级冷头相连，用于给一级冷屏组件提供冷量降温；一级冷屏顶法兰5上设有吸附冷阱2。一级冷屏组件的目的是减少二级冷屏组件和常温低温恒温之间的辐射漏热。

二级冷屏组件由二级冷屏顶法兰7和置于一级冷屏筒体6内的二级冷屏筒体8连接而成，该二级冷屏顶法兰7与所述制冷机1的二级冷头相连，用于给二级冷屏组件提供冷量降温。二级冷屏组件的目的是减少目标极低温区氦池11与二级冷屏组件的辐射漏热。

管线ⅱ上设有气动阀ⅰ15，该管线ⅱ与旁路管线之间的管线ⅲ上设有气动阀ⅱ16。气动阀ⅱ16的两端分别与循环泵14的出口、旁通阀20和缓冲罐13的出口、气动阀ⅰ15相连，目的是形成旁通低温恒温器内部循环管路，减少系统抽空时间。

补气管线上设有补气阀17。补气阀17的出口与缓冲罐13的进口和循环气动阀18相连，进口连接外部氦气源，目的是在降温前对系统进行补气。

循环气管线上设有循环气动阀18。

管线ⅶ上设有手动阀19。

旁路管线上设有旁通阀20。旁通阀20的进出口与循环泵14的进出口相连，目的是与循环泵14进行旁通，调节泵的抽速。

排气管线上设有排气阀21。排气阀21的进口与循环气动阀18相连，目的是在系统进行流洗置换过程中进行排气作用。

补气阀17、排气阀21均为球阀。旁通阀20为针阀。气动阀ⅱ16为波纹管密封阀。

一种免液氦低温系统的1.5k超低温实现方法，包括以下步骤：

⑴系统抽空过程：

关闭循环泵14的旁通阀20和循环气动阀18以及补气阀17，完全打开节流阀10、手动阀19、气动阀ⅰ15、气动阀ⅱ16、制冷流量控制器12、排气阀21，开启循环泵14对系统管路抽真空至＜10pa。该过程可避免管路内的空气在降温过程中凝结堵塞系统。

⑵管道流洗置换过程：

将氦气源与补气管线相接，关闭排气阀21和循环泵14，完全打开旁通阀20、循环气动阀18、补气阀17对系统进行充气；充气完成后按照步骤⑴进行抽空，如此充气抽空反复三次，即完成管道流洗置换过程。该过程可避免降温时系统内部混有其他杂质而堵塞管道。

⑶管道充气过程：

打开氦气源和补气阀17，关闭排气阀21和循环泵14，并完全打开旁通阀20、循环气动阀18、节流阀10、手动阀19、气动阀ⅰ15、气动阀ⅱ16，对系统进行充气，观察缓冲罐13压力读数到工作压力后，即完成充气过程。

⑷系统降温、回温：

开启制冷机1，并打开手动阀19、循环气动阀18、气动阀ⅰ15和循环泵14，调节制冷流量控制器12至设计流量，进行气体循环降温，直至1.5k温区；然后进行材料物性的测试，测试完成后，关闭制冷机1、循环泵4，打开旁通阀20，进行系统回温即可。