一种液氙暗物质探测器用的基于液氮的制冷系统

1.本实用新型涉及制冷装置技术领域，尤其涉及一种液氙暗物质探测器用的基于液氮的制冷系统。


背景技术：

2.暗物质的探测在当前的国际物理中还存在很多未知领域，相对而言，液氙暗物质探测器在探测暗物质的灵敏度上是最领先的。随着液氙探测器的体量逐步增大，从几十公斤到几十吨，对其制冷系统也提出了更高要求，要满足长寿命、长期稳定性和低本底。然而，目前商业脉管和gm制冷机对于几十吨级的液氙探测器来说，制冷能力显然不够，其制冷功率有限，难以继续提高。此外，商业脉管和gm制冷机的生产工序多，生产成本较高，维护不易，维护成本较高。商业制冷机的制冷系统对该类实验的发展产生了很大的限制，为此，需要提供一种高功率、高稳定性的制冷系统。
3.因此，本领域的技术人员致力于提供一种液氙暗物质探测器用的基于液氮的制冷系统，在液氙温度下制冷功率范围大，稳定性高，且易于更换和维护。


技术实现要素：

4.有鉴于现有技术上的缺陷，本实用新型所要解决的技术问题是如何提供一种制冷功率范围大、稳定性高且易于更换和维护的制冷系统。
5.为实现上述目的，本实用新型提供了一种液氙暗物质探测器用的基于液氮的制冷系统，包括液氮容器、真空隔热罩、导热体和热源冷头，所述液氮容器内盛有液氮，所述液氮容器上设有液氮进口管和氮气出口管，所述导热体的一端穿过所述液氮容器的底部与所述液氮接触，所述导热体的另一端与所述热源冷头连接；所述液氮容器、所述导热体、所述热源冷头位于所述真空隔热罩内，所述液氮进口管、所述氮气出口管穿过所述真空隔热罩。
6.优选地，所述液氮的体积是所述液氮容器的容积的一半。
7.优选地，所述导热体是无氧铜。
8.优选地，所述热源冷头是无氧铜。
9.优选地，所述热源冷头上设置有加热器。
10.优选地，所述导热体与所述液氮容器之间通过铟丝密封。
11.优选地，所述液氮容器的外壁上设有温度传感器。
12.优选地，所述温度传感器沿所述液氮容器的外壁自上至下共设置3个。
13.优选地，所述液氮容器的容积为5-10l。
14.优选地，所述液氮进口管连接外部的液氮罐。
15.本实用新型至少具有如下有益技术效果：
16.本实用新型提供的液氙暗物质探测器用的基于液氮的制冷系统，以液氮作为冷源，制冷功率高，制冷效果稳定；导热体可以根据不同工况配备不同的尺寸结构，可实现标准化和模块化；本制冷系统的制造成本低，无振动部件，增加了设备长期使用的稳定性。
17.以下将结合附图对本实用新型的构思、具体结构及产生的技术效果作进一步说明，以充分地了解本实用新型的目的、特征和效果。
附图说明
18.图1是本实用新型的一个较佳实施例的制冷系统的结构示意图。
19.其中，1-氮气出口管，2-液氮进口管，3-真空隔热罩，4-液氮容器，5-温度传感器，6-导热体，7-铟丝，8-热源冷头。
具体实施方式
20.以下参考说明书附图介绍本实用新型的多个优选实施例，使其技术内容更加清楚和便于理解。本实用新型可以通过许多不同形式的实施例来得以体现，本实用新型的保护范围并非仅限于文中提到的实施例。
21.在附图中，结构相同的部件以相同数字标号表示，各处结构或功能相似的组件以相似数字标号表示。附图所示的每一组件的尺寸和厚度是任意示出的，本实用新型并没有限定每个组件的尺寸和厚度。为了使图示更清晰，附图中有些地方适当夸大了部件的厚度。
22.本实用新型提供了一种液氙暗物质探测器用的基于液氮的制冷系统，以液氮作为冷源，能够在液氙温度下的提供不同的制冷功率。
23.如图1所示，本实施例的液氙暗物质探测器用的基于液氮的制冷系统，包括液氮容器4、真空隔热罩3、导热体6和热源冷头8。
24.液氮容器4用于盛放液氮，通过液氮为本制冷系统提供冷源，液氮容器4内在液氮的上方留有空间，便于液氮受热时的气化。具体地，液氮容器4可以为圆柱形容器，液氮容器4内的液氮体积约占液氮容器4的容积的一半。液氮容器4上分别设有液氮进口管2和氮气出口管1，液氮进口管2与外部的液氮罐连接，以便向液氮容器4内持续性地输入液氮；氮气出口管1将液氮容器4内产生的氮气向外排出。液氮容器4的容积可以为5-10l。
25.导热体6的材质为具有高的热传导率的材料，具体可以为无氧铜，导热体6的形状也可以为圆柱体。如图1所示，导热体6的一端穿过液氮容器4的底部置于液氮容器4内，而与液氮相接触；导热体6的另一端置于液氮容器4的外部。通过导热体6，可以将液氮容器4内液氮的冷量传递至液氮容器4之外，从而起到制冷的作用。
26.为增大导热体6与液氮的接触面积，导热体6位于液氮内的端部切割成齿状，以提高传热效果。
27.为避免产生泄露，导热体6位于液氮容器4的外部沿周向设有法兰片，导热体6的法兰片与液氮容器4之间采用铟丝7密封。导热体6与液氮容器4之间的这种连接方式便于导热体6的更换，使导热体6可以根据不同工况配备不同的尺寸结构，制造组装容易，并可以实现标准化和模块化，维护方便。
28.导热体6位于液氮容器4外部的另一端连接有热源冷头8，通过热源冷头8将冷量向外传输。热源冷头8可根据工况要求配备不同功率的加热器，能够在一定范围内精确调节制冷功率并保持稳定。热源冷头8的材质也为具有高的热传导率的材料，具体也可以为无氧铜。热源冷头8与导热体6之间可以通过螺栓、销钉等方式连接。
29.在液氮容器4、导热体6和热源冷头8的外部罩有真空隔热罩3，真空隔热罩3能够隔
绝液氮容器4及导热体6、热源冷头8与外界的热量传输，减少环境对制冷系统的影响。如图1所示，为了实现与外部的连接，液氮进口管2和氮气出口管1均穿过真空隔热罩3。
30.在液氮容器4的底部或者侧壁可以设置支撑件，支撑件再与真空隔热罩3的底部或者侧面连接，实现液氮容器4在真空隔热罩3内的固定，使液氮容器4、导热体6、热源冷头8、真空隔热罩3具有稳定的连接关系。
31.在液氮容器4的外壁上自上至下均匀布置有三个温度传感器5，通过温度传感器5监测液氮容器4内的温度分布，根据温度分布的变化，确定向液氮容器4内及时补充液氮。
32.本实用新型的基于液氮的制冷系统，在178k的液氙温度下，制冷功率可以从几十瓦到几千瓦，并且制冷效果稳定，能够在一定范围内精确调节制冷功率和温度，温度波动控制精度达到0.02k。同时，本制冷系统的装置结构简单，模块化方便更换，无振动部件，降低了现有设备的制造成本和运行成本，增加了设备长期使用的稳定性。
33.以上详细描述了本实用新型的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术无需创造性劳动就可以根据本实用新型的构思作出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员依本实用新型的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。


技术特征：
1.一种液氙暗物质探测器用的基于液氮的制冷系统，其特征在于，包括液氮容器、真空隔热罩、导热体和热源冷头，所述液氮容器内盛有液氮，所述液氮容器上设有液氮进口管和氮气出口管，所述导热体的一端穿过所述液氮容器的底部与所述液氮接触，所述导热体的另一端与所述热源冷头连接；所述液氮容器、所述导热体、所述热源冷头位于所述真空隔热罩内，所述液氮进口管、所述氮气出口管穿过所述真空隔热罩。2.如权利要求1所述的液氙暗物质探测器用的基于液氮的制冷系统，其特征在于，所述液氮的体积是所述液氮容器的容积的一半。3.如权利要求1所述的液氙暗物质探测器用的基于液氮的制冷系统，其特征在于，所述导热体是无氧铜。4.如权利要求3所述的液氙暗物质探测器用的基于液氮的制冷系统，其特征在于，所述热源冷头是无氧铜。5.如权利要求4所述的液氙暗物质探测器用的基于液氮的制冷系统，其特征在于，所述热源冷头上设置有加热器。6.如权利要求1所述的液氙暗物质探测器用的基于液氮的制冷系统，其特征在于，所述导热体与所述液氮容器之间通过铟丝密封。7.如权利要求1所述的液氙暗物质探测器用的基于液氮的制冷系统，其特征在于，所述液氮容器的外壁上设有温度传感器。8.如权利要求7所述的液氙暗物质探测器用的基于液氮的制冷系统，其特征在于，所述温度传感器沿所述液氮容器的外壁自上至下共设置3个。9.如权利要求1所述的液氙暗物质探测器用的基于液氮的制冷系统，其特征在于，所述液氮容器的容积为5-10l。10.如权利要求1所述的液氙暗物质探测器用的基于液氮的制冷系统，其特征在于，所述液氮进口管连接外部的液氮罐。

技术总结
本实用新型公开了一种液氙暗物质探测器用的基于液氮的制冷系统，包括液氮容器、真空隔热罩、导热体和热源冷头，所述液氮容器内盛有液氮，所述液氮容器上设有液氮进口管和氮气出口管，所述导热体的一端穿过所述液氮容器的底部与所述液氮接触，所述导热体的另一端与所述热源冷头连接；所述液氮容器、所述导热体、所述热源冷头位于所述真空隔热罩内，所述液氮进口管、所述氮气出口管穿过所述真空隔热罩。本实用新型的制冷系统制冷功率高、制冷效果稳定，且制造成本低，无振动部件，增加了设备长期使用的稳定性。使用的稳定性。使用的稳定性。


技术研发人员：赵力
受保护的技术使用者：上海交通大学
技术研发日：2022.03.08
技术公布日：2022/7/22