一种利用吸附潜热的低温恒温冷源制造技术

本发明专利技术公开了一种利用吸附潜热的低温恒温冷源，所述低温恒温冷源设置有吸附容器，吸附容器内装填吸附剂，充注有工质气体，利用工质气体脱附时产生的吸附潜热提供冷源。本发明专利技术利用吸附潜热的低温恒温冷源，利用工质气体脱附时产生的吸附潜热为冷却平台提供冷源。本申请没有任何主动运动部件，具有无振动的特性；而工质气体在吸附剂表面的吸附可以发生在高于工质气体沸点的大范围温区，因此可以在很大的温度范围内提供冷却；利用吸附潜热作为冷源，可应对更大的热冲击，温度稳定性更好，还具有装置结构简单，材料易获得，操作方便，成本低等优点。等优点。等优点。

【技术实现步骤摘要】
一种利用吸附潜热的低温恒温冷源


[0001]本专利技术涉及低温恒温冷源领域，具体涉及一种利用吸附潜热的低温恒温冷源。

技术介绍

[0002]低温恒温环境是低温微纳米加工、低温原位显微观测、高精度红外成像和超导量热仪等科学技术得以实现的必要条件。而这些涉及到微纳米级别精度加工和观测的系统对机械振动非常敏感，因此对提供低温恒温环境的低温恒温冷源提出极高的低振动要求。另一方面，为了实现不同温度下的稳定加工工况和观测环境，低温恒温冷源是否能够灵活地实现较大温区范围内的提供冷量非常关键。
[0003]一般的低温恒温冷源获得方式有两种：主动式低温制冷机供冷和低温液体供冷。
[0004]主动式低温制冷机，采用如斯特林型制冷机、脉冲管式制冷机、G
‑
M型制冷机、节流式制冷机等等可方便地获得较大温区范围内的制冷。但是这些制冷机往往具有压缩机、旋转阀等主动运动部件，运行时具有较大的机械振动，无法满足微纳米加工/观测系统正常运行对系统机械振动的要求。
[0005]低温液体供冷技术则采用液氮、液氦等低温液体蒸发吸热来提供低温恒温冷源，系统一般具有较低的机械振动。但是低温液体冷却只能够提供液体沸点的温度点，如液氦的4K(
‑
269℃)、液氢的20K(
‑
253℃)、液氖的27K(
‑
246℃)、液氮的77K(
‑
196℃)等，无法在较大温区范围内灵活地调节低温恒温冷源的温度。
[0006]因此上述传统的低温恒温冷源技术均无法满足微纳米加工/观测系统的要求。

技术实现思路

[0007]为了给微纳米加工、显微观测、高精度光学成像等
提供无振动、可调温度的低温恒温冷源，本专利技术提出了一种利用吸附潜热的低温恒温冷源，并采用了以下技术方案：
[0008]一种利用吸附潜热的低温恒温冷源，设置吸附容器，吸附容器内装填吸附剂，充注有工质气体，利用工质气体脱附时产生的吸附潜热为冷却平台提供冷源。
[0009]所述吸附剂为高比表面积的物理吸附剂材料，如活性炭、有机金属网格材料、分子筛、硅胶等等；所述吸附剂能够在高压和低温工况下吸附大量的工质气体；通过控制工质气体流出吸附容器，容器内压力降低，吸附于吸附剂表面的工质气体脱附，气体脱附会吸收热量；利用气体脱附所产生的吸附潜热提供无振动的冷源，为冷却平台提供制冷。
[0010]所述工质气体可以是氦气、氢气、氖气、氮气或者甲烷等常用的低温工质气体；根据冷源所需提供冷却温区(T
L
～T
H
)的不同，宜选择沸点T
BP,Gas
比所需供冷温区最低温度T
L
更低，吸附量更大，吸附潜热更大的气体作为工质气体。
[0011]工质气体在吸附剂表面的吸附可以发生在高于工质气体沸点的大范围温区，因此吸附容器可以在很大的温度范围内提供冷却；利用吸附潜热作为冷源，可应对更大的热冲击，温度稳定性更好。
[0012]为了实现连续地、长时间地供冷，所述吸附容器可以设置为多个并联，交替工作。
[0013]进一步的，一种利用吸附潜热的低温恒温冷源，包括：工质储罐、供气阀门、排气阀门、供排气管、排气接口、吸附容器、冷却平台、低温液体储罐、冷却平台、热开关I、压力计、温度计I、温度计II和加热器I。
[0014]所述工质储罐经过供气阀门与供排气管室温端相连，供排气管低温端与所述吸附容器相连；供排气管室温端经过排气阀门与排气接口相连；供排气管室温端设有压力计；吸附容器上设有温度计II和加热器I。
[0015]所述低温液体储罐通过热开关I与冷却平台连接；所述低温液体储罐与吸附容器热连接；所述吸附容器与冷却平台热连接；冷却平台上设有温度计I，所需要冷却的样品安装在冷却平台上。
[0016]所述冷却平台由导热良好的金属制成，如铝、无氧铜等；所述冷却平台上设有与低温液体储罐和吸附容器热连接的接口，还设有安装待冷却样品的接口。
[0017]所述供气阀门为截止阀，在充气过程中该阀门打开，使得工质储罐中的高压工质气体充入吸附容器，在吸附容器提供冷量时该阀门关闭；所述排气阀门为具有精确控制流量的控制阀或计量阀，在吸附容器提供冷量时，通过调节其开度控制吸附容器中的工质气体缓慢排出。
[0018]所述低温液体储罐内装有低温液体，如液氦、液氢、液氖或者液氮等；所述低温液体储罐的作用是利用低温液体蒸发所产生的潜热提供无振动的一级冷源。
[0019]所述热连接能够实现冷量的传递作用，用于将低温液体储罐的冷量传导至吸附容器和冷却平台作为预冷，也将吸附容器产生的冷量传递到冷却平台为样品提供冷却。
[0020]所述热开关是一种能够实现热连接断开或连通的热控装置，根据原理不同，有多种不同类型，如机械式热开关、气体间隙式热开关、超导热开关等；热开关I的作用是在吸附容器工作时，将冷却平台与低温液体储罐之间的热连接断开，隔绝低温液体储罐对冷却平台的热影响，减小加热器I控制冷却平台温度所需的加热量，减少低温液体储罐中低温液体的消耗。
[0021]作为优选，所述低温液体储罐和吸附容器之间还设有热开关II，其作用是在吸附容器工作时将其与低温液体储罐之间的热连接断开，从而减小加热器I控制冷却平台温度所需的加热量，减少低温液体储罐中低温液体的消耗。
[0022]作为优选，所述供排气管上设有加热器II，供排气管室温端还设有温度计III，其作用是吸附容器排气时，打开加热器II，将排出的冷气体加热复温至室温，避免冷气体将室温部件，如压力计和排气阀门，冷冻至过低温度，影响室温部件的正常工作甚至损坏。
[0023]作为优选，供气阀门与供排气室温端之间设有流量控制器I，排气接口与排气阀门之间设有流量控制器II；设置流量控制器I的目的是更为精确地控制充气量，并实现更快充气过程；设置流量控制器II的目的是为了更为精确地、实时地控制排气量，使得在满足恒温控制的前提下，尽可能减小用于控温的加热器I的加热量，减小排气速率，延长供冷时间。
[0024]作为进一步优选，所述排气阀门与排气接口之间还设有真空泵，其作用是可将吸附容器中的气体进一步排空，从而延长供冷时间。
[0025]上述低温恒温冷源的工作原理是利用低温液体储罐作为无振动的一级冷源，闭合热开关I、II和III，通过导热，将吸附容器、冷却平台以及安装在冷却平台上的样品预冷至
初始的低温温度T
ini
，其中T
ini
略低于T
L
；预冷吸附容器的同时，打开供气阀门，关闭排气阀门，将工质储罐中的工质气体充注到吸附容器中，充入的室温工质气体在吸附容器中被冷却至低温，随着吸附容器中压力的增加，大量工质气体吸附到吸附容器中吸附材料的表面；当连接在供排气管室温端的压力计达到预设压力p
ini
时，关闭供气阀门，随着吸附容器及供排气管中的气体被进一步冷却，并吸附到吸附剂表面，吸附容器中的压力会进一本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种利用吸附潜热的低温恒温冷源，其特征在于，所述低温恒温冷源设置有吸附容器，吸附容器内装填吸附剂，充注有工质气体，利用工质气体脱附时产生的吸附潜热提供冷源。2.根据权利要求1所述的利用吸附潜热的低温恒温冷源，其特征在于，所述吸附容器设置为多个并联，交替工作。3.根据权利要求1所述的利用吸附潜热的低温恒温冷源，其特征在于，所述工质气体是氦气、氢气、氖气、氮气或者甲烷。4.根据权利要求1任一项所述的利用吸附潜热的低温恒温冷源，其特征在于，所述吸附剂为活性炭、有机金属网格材料、分子筛或硅胶。5.根据权利要求1所述的利用吸附潜热的低温恒温冷源，其特征在于，包括工质储罐、供气阀门、排气阀门、供排气管、排气接口、吸附容器、冷却平台、低温液体储罐、冷却平台、热开关I、压力计、温度计I、温度计II和加热器I；所述工质储罐经过供气阀门与供排气管室温端相连，供排气管低温端与所述吸附容器相连；供排气管室温端经过排气阀门与排气接口相连；供排气管室温端设有压力计；吸附容器上...

【专利技术属性】
技术研发人员：吴英哲，赵钦宇，钱轶，姜伟，
申请(专利权)人：上海司氢科技有限公司，
类型：发明
国别省市：