專利名稱：無磁低振同軸脈沖管制冷機的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于制冷與低溫技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種無磁低振同軸脈沖管制冷機。
背景技術(shù)：
基于超導量子干涉儀(SQUID)的超導器件的廣泛應用依賴于低溫系統(tǒng)的發(fā)展，在很多場合如宇宙空間或水下潛艇，正是由于缺乏合適的低溫系統(tǒng)才限制了SQUID器件的使用。使用機械制冷方法而不是將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(lǐng)域的一個挑戰(zhàn)?；诔瑢Я孔痈缮鎯x的超導器件，對環(huán)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采用特殊的附加裝置根本無法與之配合工作，因為常規(guī)的低溫制冷機的振動和電磁噪聲會大大超過SQUID的信號輸出范圍，從而使SQUID的輸出變得毫無意義。
1976年美國國家標準技術(shù)研究局(NISA)的J.E.Zimmerman報道了他們創(chuàng)制的一種斯特林型低功率塑料制冷機，其特點是小功率、低轉(zhuǎn)速，采用非金屬材料作排出器構(gòu)件，具有縫隙式回熱，取用低壓力的工質(zhì)，為嘗試以機械制冷方法冷卻高靈敏的超導器件奠定了基礎(chǔ)。中國專利85200119“一種高效的無磁制冷機”公開了一種具有J-T級的斯特林型塑料制冷機的制作方法；中國專利85203092“無磁制冷機排出器”公開了采用夾有鋁箔的玻璃鋼排出器的選材及制作。上述兩個專利及其后發(fā)展起來的低功率塑料制冷機已經(jīng)用于冷卻SQUID器件，但由于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干擾信號很難消除。
脈沖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干擾小的天然優(yōu)勢，因而九十年代中期以來人們提出了種種利用脈沖管制冷機冷卻SQUID器件的設(shè)想并付諸實踐。但現(xiàn)有的脈沖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(tǒng)本身特別是耦合SQUID器件的冷頭依舊存在明顯的殘余振動，這一振動所帶來的干擾仍然遠遠超出了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、制冷機各部件都采用帶有很大剩磁的材料或金屬材料制作，制冷機中的磁性部件在工作環(huán)境中所直接附加的磁干擾信號，以及制冷機中的金屬部件在工作環(huán)境運動產(chǎn)生的感應渦流嚴重地干擾SQUID器件的操作。因而直接利用普通脈沖管制冷機冷卻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沖管制冷機”，其特點是脈沖管與蓄冷器同軸放置，帶節(jié)流小孔和氣庫，脈沖管和節(jié)流小孔及氣庫結(jié)合在一起，脈沖管與蓄冷器之間設(shè)低導熱材料制作的絕熱層或真空層，蓄冷器入口設(shè)配氣裝置。以這種典型的同軸脈沖管制冷機為例，由于冷頭沒有采取任何措施，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沖管的伸縮而在Z軸有一個10～20μm的彈性伸縮量，這樣，在當?shù)氐卮艌鰪姸妊豘軸的變化率為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；它的主要部件都采用帶有很大剩磁的材料或金屬材料制作的，如脈沖管和蓄冷器管壁由薄壁不銹鋼管或鈦合金管制作，蓄冷器填料是由細金屬絲網(wǎng)，小金屬球或顆粒組成，熱端法蘭和真空罩由不銹鋼制作，各導流器采用不銹鋼或銅制作，冷熱端換熱器由純銅加工而成，由材料所附加的磁干擾信號及產(chǎn)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采用螺紋及焊接的方式，焊接所帶來較大的磁性雜質(zhì)也影響到了SQUID的測量；其壓縮機與制冷機本體之間采用剛性連接，剛性連接將壓縮機本身的振動直接傳導到制冷機，這種振動干擾有時嚴重到使得SQUID器件的操作無法進行；它在脈沖管冷端不設(shè)導流器，或僅采用密集打孔的平板，不能保證氣流在180度折轉(zhuǎn)范圍內(nèi)的平穩(wěn)和均勻，從而誘發(fā)冷端換熱器的振動，并影響制冷效率。鑒于以上這些缺點，以此種類型脈沖管制冷機為代表的現(xiàn)有同軸脈沖管制冷機不能直接服務(wù)于SQUID器件的操作。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于，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(xiàn)有脈沖管制冷機中系統(tǒng)特別是冷端換熱器振動對SQUID器件產(chǎn)生的嚴重干擾；以采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(guī)脈沖管制冷機中磁性或金屬材料對高靈敏度的SQUID器件的電磁干擾；使用低溫膠粘劑實現(xiàn)制冷機各部件之間的連接，以消除焊接所帶來的磁性雜質(zhì)；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干擾；在脈沖管冷端和冷端換熱器之間設(shè)置拱形導流器，以實現(xiàn)氣流在180度折轉(zhuǎn)范圍內(nèi)的平穩(wěn)均勻，減小對冷端換熱器的振動影響。有效克服振動與電磁干擾這兩大將脈沖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沖管制冷機，以實現(xiàn)同軸脈沖管制冷機的低振動、低電磁干擾化甚至無電磁干擾化，并最終實現(xiàn)利用脈沖管制冷機有效冷卻包括高溫超導量子干涉儀(HTc-SQUIDs)在內(nèi)的對電磁干擾要求極嚴格的高溫超導器件。
本發(fā)明的技術(shù)方案如下本發(fā)明提供的無磁同軸脈沖管制冷機，在真空室中，脈沖管3和蓄冷器4同軸放置，之間填有蓄冷填料12，脈沖管3冷端裝有脈沖管冷端導流器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，脈沖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(shè)有節(jié)流小孔6，壓縮機17與脈沖管熱端導流器9相連通，其特征在于，脈沖管3冷端及其管外的蓄冷填料伸出蓄冷管冷端之外，所述脈沖管冷端導流器1為拱形導流器，安裝在脈沖管3冷端的伸出段及端部，該拱形脈沖管冷端導流器1的拱形部分設(shè)有密集垂向通孔，拱形脈沖管冷端導流器1的圓環(huán)形外側(cè)壁上均勻地開設(shè)有垂向槽；一由高導熱材料制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(jié)；在冷端換熱器2之上方設(shè)有由垂直固定于熱端法蘭5上的支撐桿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的長度大于水平分離冷平臺16與冷端換熱器2之間的垂直距離；一其內(nèi)插裝有脈沖管熱端導流器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(jié)流小孔6下方的連接管道上連通一調(diào)相毛細管8；一與屏蔽后的壓縮機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(diào)相毛細管8的另一端與通氣孔191相連通；所述蓄冷器4管壁采用低磁化率、低導熱率、極低空隙率的可加工陶瓷制作；所述脈沖管3管壁采用低導熱率的尼龍1010塑料制作；所述蓄冷填料12由緊密壓摞的多層環(huán)形尼龍6.6絲網(wǎng)薄片組成，同軸填充在所述蓄冷器壁和所述脈沖管壁之間，環(huán)形尼龍6.6絲網(wǎng)薄片的內(nèi)徑與所述的脈沖管外徑等尺寸，環(huán)形尼龍6.6絲網(wǎng)薄片的外徑與所述的蓄冷器內(nèi)徑等尺寸；所述熱端法蘭5和真空罩11均采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采用低磁化率、高熱導率的氮化硼陶瓷制作；所述冷端換熱器2的邊緣與所述蓄冷器2的冷端外壁邊緣采用DW-3低溫膠粘結(jié)密封；所述脈沖管3及所述蓄冷器4的熱端外壁邊緣采用DW-3低溫膠與所述熱端法蘭5粘結(jié)密封。
本發(fā)明的特點是在冷端換熱器之上設(shè)置水平分離冷平臺16，使用時將SQUID器件置于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(wěn)定的熱端法蘭之上，并由松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(chǎn)生的干擾；在脈沖管冷端伸出部位與冷端換熱器之間設(shè)置拱形導流器，實現(xiàn)氣流在180度折轉(zhuǎn)范圍內(nèi)的平穩(wěn)均勻，減小氣流誘發(fā)的冷端換熱器振動；采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(zhì)的電磁干擾影響；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干擾；以磁化率很低的非金屬材料完全替代常規(guī)脈沖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干擾這兩大將脈沖管制冷機應用到微弱磁場測量的兩大障礙，具有振動小，電磁干擾小、冷端熱漏小、重量輕、結(jié)構(gòu)緊湊等優(yōu)點，非常適合于冷卻高溫超導量子干涉儀(HTc-SQUIDs)等對電磁干擾要求極嚴格的高溫超導器件。


圖1為本發(fā)明裝置中無磁低振同軸脈沖管制冷機的結(jié)構(gòu)示意圖；圖2為拱形脈沖管冷端導流器1的結(jié)構(gòu)示意圖；圖3為圖2的俯視圖；其中拱形脈沖管冷端導流器1 罩蓋型冷端熱交換器2脈沖管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(jié)流小孔6氣庫7調(diào)相毛細管8 熱端導流器9真空罩11 蓄冷填料12 通氣孔191支撐桿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
下面結(jié)合附圖及實施實例進一步描述本發(fā)明圖1所示為本發(fā)明無磁低振同軸脈沖管制冷機的結(jié)構(gòu)示意圖，由圖可知，本發(fā)明的無磁低振同軸脈沖管制冷機，在真空室中，脈沖管3和蓄冷器4同軸放置，之間填有蓄冷填料12，脈沖管3冷端裝有脈沖管冷端導流器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，脈沖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(shè)有節(jié)流小孔6，壓縮機17與脈沖管熱端導流器9相連通，其特征在于，脈沖管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，所述脈沖管冷端導流器1為拱形導流器，安裝在脈沖管3冷端伸出段及端部，該拱形脈沖管冷端導流器1的拱形部分設(shè)有密集垂向通孔111，拱形脈沖管冷端導流器1的圓環(huán)形外側(cè)壁上均勻地開設(shè)有垂向槽112；一由高導熱材料制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(jié)；在冷端換熱器2之上方設(shè)有由三根垂直固定于熱端法蘭5上的支撐桿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的長度大于水平分離冷平臺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(nèi)插裝脈沖管熱端導流器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(jié)流小孔6下方的連接管道上連通一調(diào)相毛細管8；一與屏蔽后的壓縮機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(diào)相毛細管8的另一端與通氣孔191相連通；所述蓄冷器4管壁采用低磁化率、低導熱率、極低空隙率的可加工陶瓷制作；所述脈沖管3管壁采用低導熱率的尼龍1010塑料制作；所述蓄冷填料12由緊密壓摞的多層環(huán)形尼龍6.6絲網(wǎng)薄片組成，同軸填充在所述蓄冷器壁和所述脈沖管壁之間，環(huán)形尼龍6.6絲網(wǎng)薄片的內(nèi)徑與所述的脈沖管外徑等尺寸，環(huán)形尼龍6.6絲網(wǎng)薄片的外徑與所述的蓄冷器內(nèi)徑等尺寸；所述熱端法蘭5和真空罩11均采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采用低磁化率、高熱導率的氮化硼陶瓷制作；所述冷端換熱器2的邊緣與所述蓄冷器2的冷端外壁邊緣采用DW-3低溫膠粘結(jié)密封；所述脈沖管3及所述蓄冷器4的熱端外壁邊緣采用DW-3低溫膠與所述熱端法蘭5粘結(jié)密封。
所述脈沖管熱端導流器9和氣庫7之間節(jié)流小孔5下方的連接管道上連通一調(diào)相毛細管8，經(jīng)過金屬板18屏蔽的壓縮機17通過通過長為2-4米的聚酰亞胺塑料軟管19連接到所述熱端法蘭5上并與所述導流器10相連通，所述調(diào)相毛細管8上端口與所述連接軟管17相連通；所述蓄冷器4管壁采用低磁化率、低導熱率、極低空隙率的可加工陶瓷制作；所述脈沖管3管壁采用低導熱率的尼龍1010塑料制作；所述脈沖管制冷機的蓄冷器填料由緊密壓制的多層環(huán)形尼龍6.6絲網(wǎng)薄片組成，同軸填充在所述蓄冷器壁和所述脈沖管壁之間。環(huán)形尼龍6.6絲網(wǎng)薄片的內(nèi)徑與所述的脈沖管外徑等尺寸，環(huán)形尼龍6.6絲網(wǎng)薄片的外徑與所述的蓄冷器內(nèi)徑等尺寸。
權(quán)利要求
1.一種無磁低振同軸脈沖管制冷機，在真空室中，脈沖管(3)和蓄冷器(4)同軸放置，之間填有蓄冷填料(12)，脈沖管(3)冷端裝有脈沖管冷端導流器(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)，脈沖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(shè)有節(jié)流小孔(6)，壓縮機(17)與脈沖管熱端導流器(9)相連通，其特征在于，脈沖管(3)冷端及其管外的蓄冷填料伸出蓄冷管冷端之外，所述脈沖管冷端導流器(1)為拱形導流器，安裝在脈沖管(3)冷端的伸出段及端部，該拱形脈沖管冷端導流器(1)的拱形部分設(shè)有密集垂向通孔，拱形脈沖管冷端導流器(1)的圓環(huán)形外側(cè)壁上均勻地開設(shè)有垂向槽；一由高導熱材料制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(jié)；在冷端換熱器(2)之上方設(shè)有由垂直固定于熱端法蘭(5)上的支撐桿(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)的長度大于水平分離冷平臺(16)與冷端換熱器(2)之間的垂直距離；一其內(nèi)插裝有脈沖管熱端導流器(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(jié)流小孔(6)下方的連接管道上連通一調(diào)相毛細管(8)；一與屏蔽后的壓縮機(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(diào)相毛細管(8)的另一端與通氣孔(191)相連通。
2.按權(quán)利要求1所述的無磁低振同軸脈沖管制冷機，其特征在于，所述蓄冷器(4)管壁采用低磁化率、低導熱率、極低空隙率的可加工陶瓷制作；所述脈沖管(3)管壁采用低導熱率的尼龍1010塑料制作。
3.按權(quán)利要求1所述的無磁低振同軸脈沖管制冷機，其特征在于，所述蓄冷填料(12)由緊密壓摞的多層環(huán)形尼龍6.6絲網(wǎng)薄片組成，同軸填充在所述蓄冷器壁和所述脈沖管壁之間，環(huán)形尼龍6.6絲網(wǎng)薄片的內(nèi)徑與所述的脈沖管外徑等尺寸，環(huán)形尼龍6.6絲網(wǎng)薄片的外徑與所述的蓄冷器內(nèi)徑等尺寸。
4.按權(quán)利要求1所述的無磁低振同軸脈沖管制冷機，其特征在于，所述熱端法蘭(5)和真空罩(11)均采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)采用低磁化率、高熱導率的氮化硼陶瓷制作。
5.按權(quán)利要求1所述的無磁低振同軸脈沖管制冷機，其特征在于，所述冷端換熱器(2)的邊緣與所述蓄冷器(2)的冷端外壁邊緣采用DW-3低溫膠粘結(jié)密封；所述脈沖管(3)及所述蓄冷器(4)的熱端外壁邊緣采用DW-3低溫膠與所述熱端法蘭(5)粘結(jié)密封。
全文摘要
本發(fā)明涉及的無磁低振同軸脈沖管制冷機，脈沖管和蓄冷器同軸放置，之間填有蓄冷填料，脈沖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(huán)形外側(cè)壁上均勻地開設(shè)有垂向槽；罩蓋型冷端熱交換器將其罩在其中并密封粘結(jié)；冷端換熱器之上方設(shè)有由垂直固定于熱端法蘭上的支撐桿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(jié)流小孔下方的連接管道上連通調(diào)相毛細管；與屏蔽后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(diào)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制作，具有振動小，電磁干擾小、冷端熱漏小、重量輕、結(jié)構(gòu)緊湊等優(yōu)點。
文檔編號F25B9/14GK1467461SQ0212395
公開日2004年1月14日 申請日期2002年7月9日 優(yōu)先權(quán)日2002年7月9日
發(fā)明者巨永林, 黨政海, 周遠 申請人:中國科學院理化技術(shù)研究所