[發(fā)明專利]基于G-M制冷機的冷卻裝置

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 200910306561.3
• 申請日: 2009-09-03
• 公開（公告）號: CN101655428A
• 公開（公告）日: 2010-02-24
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 王紹良;李亮;夏正才
• 申請（專利權(quán)）人: 華中科技大學
• 主分類號: G01N1/42
• 分類號: G01N1/42
• 代理公司: 華中科技大學專利中心
• 代理人: 方 放

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于低溫工程中的制冷設(shè)備，具體涉及一種利用G?M制冷機通過氦氣冷卻樣品的裝置。

背景技術(shù)

G-M制冷循環(huán)是由吉福特(Gifford)和麥克馬洪(Mcmahon)共同發(fā)明的，其原理是利用絕熱氣體放氣制冷。目前G-M型制冷機已廣泛應(yīng)用于低溫泵和冷卻各種小型超導(dǎo)磁體，見陳登科、孫中章：“GM205制冷機的性能及其在低溫泵上的使用”，發(fā)表于《真空與低溫》雜志1991年03期；以及雷雯：“GM制冷機在磁共振成像低溫恒溫器中的應(yīng)用”，發(fā)表于《低溫工程》雜志1996年01期。在冷卻低溫泵泵頭和小型超導(dǎo)磁體等應(yīng)用中，一般使用制冷機冷頭直接接觸或者使用高導(dǎo)熱率的材料作為熱橋來實現(xiàn)冷卻作用。

在脈沖強磁場科學實驗中的實驗樣品冷卻裝置通常采用液氦冷卻，但是由于液氦價格昂貴，使得脈沖強磁場下科學實驗費用極高；而GM制冷機的運行費用低，且能冷卻到液氦溫度，因此如果能將GM制冷機應(yīng)用在脈沖強磁場下的科學實驗，將極大的減少實驗費用。在脈沖強磁場的實驗環(huán)境下，直接接觸由于結(jié)構(gòu)上不可行，而制作熱橋的高導(dǎo)熱率材料都有高導(dǎo)電率，在脈沖強磁場的環(huán)境下會產(chǎn)生渦流，渦流會引起熱橋發(fā)熱，因此直接接觸和熱橋都不能實現(xiàn)對樣品的冷卻。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明提供一種基于G-M制冷機的冷卻裝置，解決現(xiàn)有實驗樣品冷卻裝置使用液氦所導(dǎo)致的實驗費用高的問題，使用GM制冷機通過氦氣冷卻樣品。

本發(fā)明的一種基于G-M制冷機的冷卻裝置，包括G-M制冷機，其特征在于：

所述G-M制冷機一級冷頭和二級冷頭外表面套有螺線管換熱器，G-M制冷機二級冷頭與氦冷凝器接觸，螺線管換熱器端部連通氦冷凝器的一端，螺線管換熱器和氦冷凝器之外套有固定在G-M制冷機一級冷頭上的防輻射屏，防輻射屏上安裝有冷阱，冷阱的一端穿過防輻射屏與螺線管換熱器連通；

防輻射屏和冷阱之外套有真空罩，真空罩通過法蘭與G-M制冷機的密封法蘭固定，真空罩內(nèi)固定有樣品室，氦冷凝器另一端通過穿過防輻射屏的液氦管和樣品室連通；冷阱的另一端穿過真空罩和外部氦氣源連通；樣品室通過管道連通固定在真空罩外的樣品放置閥。

所述的冷卻裝置，其特征在于：

所述螺線管換熱器由纏繞在G-M制冷機一級冷頭和二級冷頭外表面上的不銹鋼管構(gòu)成。

本發(fā)明利用G-M制冷機作為冷源，G-M制冷機一級冷頭上連接有一防輻射屏，并且在防輻射屏上安裝有一冷阱，G-M制冷機的一級冷頭和二級冷頭之間有螺線管換熱器，G-M制冷機的二級冷頭上裝有氦冷凝器，氦冷凝器與樣品室通過液氦管連接，樣品放置在樣品室底部，一級冷頭、防輻射屏和樣品室均裝于真空罩內(nèi)，真空罩為其他裝置提供真空絕熱；氦氣從入口管道進入冷阱被預(yù)冷，然后被預(yù)冷的氦氣進入纏繞在G-M制冷機上的螺線管換熱器被再次充分冷卻，被冷卻的氦氣進入氦冷凝器冷凝成液氦，液氦通過液氦管流入到樣品室內(nèi)，在樣品室內(nèi)液氦受熱氣化，吸收熱量，實現(xiàn)冷卻樣品到液氦溫度的目的。

本發(fā)明直接利用G-M制冷機作為冷源，通過冷凝的液氦在樣品室發(fā)生氣化相變從而實現(xiàn)了冷卻樣品到液氦溫度的效果，從而實現(xiàn)了在脈沖強磁場科學實驗中不使用液氦也能達到冷卻樣品到液氦溫度的目的。

附圖說明

圖1為本發(fā)明結(jié)構(gòu)示意圖。

圖中標記：G-M制冷機1、真空罩2、防輻射屏3、螺線管換熱器4、氦冷凝器5、液氦管6、樣品室7、樣品8、冷阱9、樣品放置閥10、氦氣入口11，法蘭12，密封法蘭13。

具體實施方式

以下結(jié)合附圖對本發(fā)明進一步說明。

本發(fā)明中：G-M制冷機1的一級冷頭和二級冷頭外表面套有螺線管換熱器4，G-M制冷機二級冷頭與氦冷凝器5接觸，螺線管換熱器4端部連通氦冷凝器5的一端，螺線管換熱器4和氦冷凝器5之外套有固定在G-M制冷機一級冷頭上的防輻射屏3，防輻射屏3上安裝有冷阱9，冷阱9的一端穿過防輻射屏3與螺線管換熱器4連通；防輻射屏3和冷阱9之外套有真空罩2，真空罩2通過法蘭12與G-M制冷機的密封法蘭13固定，真空罩2內(nèi)固定有樣品室7，氦冷凝器5另一端通過穿過防輻射屏3的液氦管6和樣品室7連通；冷阱9的另一端穿過真空罩2和外部氦氣源連通；樣品室7通過管道連通固定在真空罩2外的樣品放置閥10。

G-M制冷機采用1.5瓦、4K制冷機，冷阱和氦冷凝器均使用紫銅加工，防輻射屏采用紫銅加工并雙面鍍鎳，真空罩與樣品室采用不銹鋼加工、樣品放置閥可使用直通球閥。