[发明专利]一种真空低温恒温器

说明书

技术领域

本发明涉及低温技术加工领域，特别涉及一种真空低温恒温器。

背景技术

在科学研究（如表面物理、超导物理）和医学检验（如磁共振成像MRI）中，真空环境和低温环境都是必不可少的。维持低温环境需要使用低温恒温器。低温恒温器通常使用液氮和/或液氦作为冷却介质，而工作方式主要有两种，即连续流动低温恒温器和杜瓦式低温恒温器。杜瓦是指容器壁中具有真空夹层的容器。连续流动低温恒温器一般通过液氦连续流过需要降温的部件，达到降温的效果。在这种方式下，储存冷却介质的部位和需要降温的部位可以分开，这样需降温的部位可做到很小，便于安排。但一般而言，连续流动低温恒温器的结构较为复杂，消耗液氦也较快。杜瓦式低温恒温器则是直接将液氮和液氦储存在需降温部位的上方，它消耗液氦较少，结构也比较简单，缺点是杜瓦体积较大，会对整个实验系统的设计带来更多的限制。国内很多低温恒温器都是采购自英国Oxford Instrume nts公司和美国JANIS公司。

低温恒温器的目的就是让降温目标（如科学实验样品、医学设备的超导线圈等）在合适的低温下维持尽量长的时间，同时冷却介质如液氦和液氮的消耗要尽可能的小。液氦消耗的过程就是液氦全部以氦气的形式脱离系统的过程，即液氦的蒸发过程。要达到减少液氦消耗的目的就要尽量减少降温目标和外界环境的热量交换。热交换有三种途径热传导、热对流和热辐射。低温恒温器需要工作在真空环境内，所以基本隔绝了空气的热对流，需要加以考虑的只有热传导和热辐射。一般的讲降低热传导是通过选用低导热率的材料和降低传热面积来实现的。另外，热源的热辐射分别和它的热力学温度四次方、材料发射率以及表面积成正比。

相比液氮，液氦的价格昂贵。很多现有技术中的低温恒温器的设计都是以尽量减少液氦消耗为目的。在现有技术中，例如中国发明专利CN101487652B公开的超静液氦恒温器，其属于一种杜瓦式低温恒温器，采用液氦内胆作为冷却工作部，并通过围绕在内胆周围的液氦冷屏来给液氦内胆的外部降温，从而减少液氦的消耗。但是这种液氦冷屏在工作过程中仍然会消耗大量的液氦。另一些现有技术，例如中国发明专利申请号CN102436898A公开的一种低温超导磁体的冷却方法及其系统，其采用密封在真空腔内的液氦储存腔作为冷却工作部，并在液氦储存腔外部设有液氮储存腔以提供外部降温。这种装置的缺点在于液氦储存腔紧密包裹在液氮储存腔上，二者只相隔一层腔壁，即在该装置中，液氦储存腔的外壁同时也是液氮储存腔的内壁。这样一来，温度较高的液氮(77K)与温度较低的液氦(4.2K)之间将极易进行热传导，从而形成较大规模的热交换，从而增大了液氦的消耗，不利于节省液氦资源。

另外，液氦和液氮在冷却时会发生沸腾，从而产生震动，并且系统自身也可能会产生震动。这些震动不利于实验的开展，可能会影响某些实验数据的准确性，因此人们希望使真空低温恒温器工作时的震动尽量减少。

发明内容

因此，本发明的目的是提供一种真空低温恒温器，该真空低温恒温器的沸点低的致冷剂消耗更少。

为实现上述目的，本发明的方案是提供一种真空低温恒温器，包括：维持真空的真空腔；悬设在真空腔内部的用于盛装第一致冷剂的第一腔，第一腔连接有至少两根用于引入和/或排出流体的第一导管，第一腔下方为冷却区域；悬设在真空腔内部并围绕第一腔设置的用于盛装第二致冷剂的第二腔，第二致冷剂在标准大气压下的沸点高于第一致冷剂，第二腔连接有至少两根用于引入和/或排出流体的第二导管，第二腔能够给第一腔提供外部降温，其中，第二腔与第一腔由真空隔开。

由于第二腔与第一腔由真空隔开后，使得第二腔与第一腔之间的热交换特别是热传导大为减少，有利于减少第二致冷剂例如液氮以及第一致冷剂例如液氦的消耗。

根据本发明的一个方案，真空低温恒温器在第一腔与第二腔之间悬设有热辐射屏蔽罩。另外，根据本发明的一个方案，真空低温恒温器在第二腔与真空腔的腔壁之间悬设有热辐射屏蔽罩。通过热辐射屏蔽罩能够有效降低外界对第二腔和/或第二腔对第一腔的热辐射。

根据本发明的一个方案，真空低温恒温器包含三根周向均匀布置的第一导管以及三根周向均匀布置的第二导管。周向的均匀布置能够为本发明的真空低温恒温器提供更好的力学性能。

根据本发明的一个方案，该第一致冷剂为液氦，该第二致冷剂为液氮。

根据本发明的一个方案，在第二腔直接靠近第一腔的内侧腔壁上贴合无氧铜板以形成围绕第一腔的同温层。同温层的设置有利减少第二腔对第一腔的热辐射，从而降低第一致冷剂的消耗。