一体式单发型He-3制冷机恒温器及其工作方法与流程

本发明涉及干式超低温实验装置领域，具体地，涉及一种一体式单发型he-3制冷机恒温器及其工作方法。

背景技术：

1、低温恒温器作为低温试验的基础，主要分为湿式和干式两种。湿式低温恒温器利用低温制冷剂（液氮/液氦）来提供低温环境，干式低温恒温器主要通过制冷机（主要是gm制冷机和脉管制冷机）持续提供冷量，不需要或不消耗制冷剂。

2、传统he-3型低温恒温器，以液氦(he-4)为主要冷媒，通过液氦将he-3液化，并通过机械泵进行减压来获得更低温环境。但该类型设备日均液氦消耗率非常高，需要经常灌装液氦，不仅操作复杂，研发投入也非常高，无法满足大部分科学研究的需求，此外，常用液氮夹层作为防热辐射层，整个装置比较笨重，占地面积大，机械泵由于工作原理的限制，使得恒温器整体震动较大。

3、现有技术文件1（cn105571190a）公开了一种机械振动隔离的无液氦消耗极低温制冷系统，包括闭循环制冷机系统闭循环制冷机系统，氦气热交换气致冷隔振系统，极低温节流阀制冷系统和温度反馈控制系统，但该现有文件的不足之处在于，氦气热交换气致冷隔振系统采用氦气作为热交换气体，并采用软橡胶密封，具有热传导差、冷量利用不充分的特点，并且在低温下氦气会部分液化，使得橡胶管内的压强降低，橡胶可能吸附在制冷头上，反而会增大系统的振动水平。极低温节流阀制冷系统中设置了真空泵，依靠外部气体系统的机械驱动来保证制冷的连续运行，系统设计复杂，成本增加。

4、基于以上现状，需要一种一体式单发型he-3制冷机恒温器，设计简单，造价相对便宜来满足大多数科研需求。

技术实现思路

1、为解决现有技术中存在的不足，本发明提供一种一体式单发型he-3制冷机恒温器及其工作方法。

2、本发明采用如下的技术方案。

3、本发明的第一方面提供了一体式单发型he-3制冷机恒温器，包括：制冷机，he-3储罐，热开关，安装法兰，真空罩，冷屏，吸附器，管路，he-3壶、冷板和支架，所述制冷机和he-3储罐设置于安装法兰上，所述安装法兰下设置真空罩，冷屏、吸附器、管路和he-3壶设置于真空罩内部，所述he-3储罐、吸附器及he-3壶通过管路连接；

4、所述冷板包括第一冷板、第二冷板和第三冷板，自上而下设置于真空罩内部；

5、所述真空罩为两段式结构，拼接位置与第二冷板平齐；

6、热开关包括：第一热开关和第二热开关，第一热开关与吸附器连接，he-3壶通过第二热开关与制冷机连接，制冷机恒温器通过安装法兰固定在支架上。

7、优选地，所述制冷机由冷头和驱动马达组成，冷头包括：一级冷头和二级冷头，一级冷头安装第一冷板，二级冷头安装第二冷板，各级冷头与冷板间设置导热连接件。

8、优选地，所述冷屏包括：一级冷屏、二级冷屏和三级冷屏，一级冷屏安装于第一冷板，二级冷屏安装于第二冷板，三级冷屏安装于第三冷板，所述冷屏为底部可拆卸型筒状结构，并经过抛光工艺处理；所述安装法兰、第一冷板和第二冷板自上而下安装，通过绝热支撑杆连接固定。

9、优选地，所述第一热开关为机械式热开关，包括：操作手柄、连杆和导热部件；导热部件包括：移动件、第一固定件和第二固定件，操作手柄设置于安装法兰，连杆贯穿安装法兰及第一固定件并与移动件连接，第一固定件安装于第一冷板底部，内部为中空结构，第二固定件安装于第二冷板上部，移动件有上、中、下3个位置状态。

10、优选地，所述第二热开关为气体型热开关，上端与第二冷板连接固定，下端与第三冷板连接固定。

11、优选地，所述吸附器为中空式罐体，罐体内置吸附剂，罐体底部安装低温温度计及加热器，上下两端与管路连通，所述吸附器与第一热开关的连接件通过导热链连接。

12、优选地，所述he-3储罐内部填充he-3气体，其上安装压力表，所述管路为不锈钢管，在he-3储罐与吸附器之间的部分缠绕在冷头，对he-3气体进行预冷；所述he-3壶为封闭式腔体，顶端与管路连通，底部安装第三冷板。

13、优选地，所述安装法兰上还设有抽气口，防爆阀，电馈通接头，其中抽气口和防爆阀均连通真空罩内部腔体，电馈通接头两端分别连接温度计、加热器和外置温控仪。

14、本发明的第二方面提供了一种一体式单发型he-3制冷机恒温器的工作方法，基于所述的一体式单发型he-3制冷机恒温器，包括以下步骤：

15、步骤1，降温：首先对恒温器进行抽真空，调节第一热开关位于“上”位置状态，再启动制冷设备对恒温器及吸附器进行降温；

16、步骤2，冷凝he-3：调节第一热开关位于“中”位置状态，启动温控仪及加热器，对吸附器进行可调控加热，将吸附的he-3气体完全释放，释放后的he-3气体进入he-3壶液化；

17、步骤3，he-3壶进一步降温：关闭加热器，调节第一热开关位于“下”位置状态，低温状态下的吸附器对he-3壶进一步降温至300mk以下，并保持低温状态；

18、步骤4，he-3的再生冷却：一段时间后he-3壶温度逐渐升高，第二热开关在10k时自动闭合，启动第二冷板对he-3壶进行降温；

19、步骤5，重复步骤2-3，将he-3重复冷凝至he-3壶并对he-3壶进一步降温，实现恒温器的持续制冷。

20、优选地，步骤1具体包括：

21、步骤1.1，确保各部件间正确安全地连接包括：外置真空泵组与抽气口连接，多通道温控仪与电馈通接头连接，水冷机与制冷机连接；

22、步骤1.2，启动真空泵组对恒温器进行抽真空至＜1*10-4mbar并持续保持泵抽；

23、步骤1.3，调节第一热开关位于“上”位置状态，启动制冷机及水冷机对整个恒温器进行降温，第一冷板对吸附器降温，直至第一冷板温度降到40k，第二冷板温度降到3k。

24、本发明的有益效果在于，与现有技术相比，

25、（1）he-3气体在制冷机作用下经过两级冷头预冷成为液体氦，再经过吸附器的泵抽减压，温度进一步降低，三级降温设计使得he-3壶温度可降至300mk以下；

26、（2）本发明依靠吸附器的温度敏感特性，可以在低温环境下吸收he-3,来实现对he-3壶泵抽减压降温的效果，无需额外增加抽气管路及部件，震动极低；

27、（3）本发明采用单发式设计，获得一次超低温he-3可在最低温度状态下保持至少几十小时甚至更长时间，仅需要调节吸附器的温度即可再次达到最低温，系统无需外置气体处理系统，设计简单，造价相对便宜，维护成本低；

28、（4）本发明采用气体型热开关设计，根据温度变化来控制he-3壶与二级冷板是否接触，不仅降低了整个恒温器的热负载，而且温度控制精确，避免了手动操作的繁琐与不精准。

技术特征：

1.一体式单发型he-3制冷机恒温器，包括：制冷机，he-3储罐，热开关，安装法兰，真空罩，冷屏，吸附器，管路，he-3壶、冷板和支架，其特征在于：

2.根据权利要求1所述的一体式单发型he-3制冷机恒温器，其特征在于：

3.根据权利要求1所述的一体式单发型he-3制冷机恒温器，其特征在于：

4.根据权利要求1所述的一体式单发型he-3制冷机恒温器，其特征在于：

5.根据权利要求1或4所述的一体式单发型he-3制冷机恒温器，其特征在于：

6.根据权利要求1所述的一体式单发型he-3制冷机恒温器，其特征在于：

7.根据权利要求1所述的一体式单发型he-3制冷机恒温器，其特征在于：

8.根据权利要求1所述的一体式单发型he-3制冷机恒温器，其特征在于：

9.一种一体式单发型he-3制冷机恒温器的工作方法，基于权利要求1-8任一项所述的一体式单发型he-3制冷机恒温器，其特征在于：

10.如权利要求9所述的一体式单发型he-3制冷机恒温器的工作方法，其特征在于：

技术总结本发明提供一体式单发型He‑3制冷机恒温器及其工作方法，包括制冷机，He‑3储罐，热开关，安装法兰，真空罩，冷屏，吸附器，管路，He‑3壶和支架，制冷机和He‑3储罐设置于安装法兰上，安装法兰下设置真空罩，冷屏、吸附器、管路和He‑3壶设置于真空罩内部，He‑3储罐、吸附器及He‑3壶通过管路连接；冷板设置于真空罩内部；真空罩为两段式结构，拼接位置与第二冷板平齐；热开关包括第一热开关和第二热开关，制冷机恒温器通过安装法兰固定在支架上。本发明He‑3储罐里面的He‑3气体经过冷源冷凝后沿管路流进He‑3壶，He‑3壶在内置吸附器的泵抽作用下进一步降温，可降至300mK以下，并可在最低温度状态下保持几十小时，无需外置气体处理系统，震动小，设计简单，造价便宜，维护成本低。技术研发人员：董巍,任书超,刘云,王凡,黄社松,牛智川受保护的技术使用者：北京飞斯科科技有限公司技术研发日：技术公布日：2024/6/30