一种超低扰动的低温制冷系统及控制方法技术方案

一种超低扰动的低温制冷系统及控制方法，能够降低震动对于工作空间的影响，降低传输过程中的热损耗，将控温对象超低温制冷于

【技术实现步骤摘要】
一种超低扰动的低温制冷系统及控制方法


[0001]本专利技术涉及低温制冷的
，尤其涉及一种超低扰动的低温制冷系统，以及这种超低扰动的低温制冷系统的控制方法
。

技术介绍

[0002]低温制冷技术应用广泛，例如生物材料冷冻保存，黑体辐射测量，低温物理实验等
。
很多低温加工工艺也需要使用低温制冷技术以保证工艺加工的精密和准确性
。
常见的用于低温制冷的材料为半导体制冷，物理制冷，超低温材料制冷等
。
对于半导体制冷，通常用于常温区实现对工作物体的制冷，工作温度与散热温度之间相差小于
30℃
，因此其应用局限性较大
。
对于物理制冷，常见的制冷方法为风冷
、
水冷
、
油冷等方式，通过热耗散的方式实现制冷，通常也位于常温区的制冷
。
对于超低温材料制冷，最常见的是液氮和液氦，由于其极低的沸腾温度，其能为工作材料实现极低的温度控制
。
在化学工业上，常使用液氮（气体或者液体）作为冷却
。
由于其可用性
、
低成本和惰性性质，使得其成为一个方便的制冷剂
。
由于其具有极低的沸腾温度（
‑
195.8 ℃
，）和大气压下的高制冷能力，使得其成为了大多数低温应用中的实用制冷剂
。
[0003]常见的液氮低温制冷方法包括：（1）直接表面冷却：通过导热壁使得液氮对工作材料制冷，换热片和液氮传输管道的导热壁相接触，利用液氮带走工作材料的热量；（2）二级回路冷却：通过引入中间导热液体，液氮导热壁受限于中间导热液体接触，对中间导热液体降温，再将导热液体和工作材料导热壁接触实现制冷；（3）浸入冷却：将材料放入液氮中进行冷却；（4）喷雾冷却：将液氮通过喷嘴喷在材料的表面来实现制冷；（5）冷氮气冷却：通过将液氮汽化得到低温氮气，利用低温氮气对材料进行冷却
。
一些对于震动敏感性不强的工艺和实验，上述的使用液氮的制冷方式能够很好的满足需求，但是一些对于震动敏感性较高的实验，例如光学实验和超低振动低温光学系统中，这些方法带来的震动和液氮影响难以保证系统的安全性和稳定性
。
使用液氮制冷的方式可能导致材料结构受损，并且液氮流动带来的湍流振动会严重影响精密系统运行的稳定性，通过氮气冷气制冷的方法可以降低流体流动带来的振动影响
。
但是应用冷氮气制冷时，由于其传输热损耗极大，因此需要严格设计和评估系统中各个部分的热损耗
。

技术实现思路

[0004]为克服现有技术的缺陷，本专利技术要解决的技术问题是提供了一种超低扰动的低温制冷系统，其能够降低震动对于工作空间的影响，降低传输过程中的热损耗，实现了使用超低温气体将控温对象超低温制冷于
‑
150
o
C
以下并且可以长期精密控制，避免了由于低温液体制冷导致振动干扰，且运行成本更低，控温精度高
。
[0005]本专利技术的技术方案是：这种超低扰动的低温制冷系统，其包括：低温气体发生器
、
低温气体传输系统
、
低温工作空间；低温气体发生器包括气体发生器（1）
、
低温液氮存储系统（2）
、
集气管道（3）
、
电源
（5），低温液氮存储系统盛放液态制冷剂，带有绝热保温层（4）的集气管道放置于液态制冷剂中，集气管道和低温液氮存储系统底部之间间隔一定距离，气体发生器放置在集气管道中，通过电源给气体发生器供电使得液态制冷剂汽化产生低温制冷气体并通过集气管道收集；低温气体传输系统包括三层同轴的管道，分别是：外侧屏蔽层（6）
、
被动屏蔽层（7）
、
低温气体传输管道（8），低温气体传输管道直接与集气管道通过焊接相连，将收集的气体传出，被动屏蔽层与绝热保温层
、
真空工作空间（
10
）相连，被动屏蔽层和低温气体传输管道之间是真空环境，通过真空环境降低传输损耗，外侧屏蔽层与尾气收集管道（
12
）相连，利用尾气对被动屏蔽层制冷，降低其热辐射功率；低温工作空间的主体为真空工作空间（
10
），低温制冷气体进行热量交换的热交换区（
14
）设在真空工作空间内，利用温度传感器（9）测量热交换区的温度，将温度数据传递给温度控制器（
16
），温度控制器输出的控制信号经过制冷逻辑控制电路（
15
）反馈到低温气体发生器的电源上，从而实现低温气体流速的控制
。
[0006]本专利技术集气管道和低温液氮存储系统底部之间间隔一定距离，保证被消耗的制冷气体能够及时得到补充；气体发生器放置在集气管道中，通过电源给气体发生器供电使得液态制冷剂汽化产生低温制冷气体并通过集气管道收集；低温气体传输管道直接与集气管道通过焊接相连，将收集的气体传出，被动屏蔽层与绝热保温层
、
真空工作空间相连，被动屏蔽层和低温气体传输管道之间是真空环境，通过真空环境降低传输损耗，外侧屏蔽层与尾气收集管道相连，利用尾气对被动屏蔽层制冷，降低其热辐射功率；低温制冷气体进行热量交换的热交换区设在真空工作空间内，利用温度传感器测量热交换区的温度，将温度数据传递给温度控制器，温度控制器输出的控制信号经过制冷逻辑控制电路反馈到低温气体发生器的电源上，从而实现低温气体流速的控制；因此本专利技术通过设计低温气体发生器
、
低温气体传输系统
、
低温工作空间的热交换区以及主动温度控制的温度控制器实现对低温工作空间温度的超精密控制，并且对比商业制冷机制冷系统降低了制冷结构震动对于工作空间的影响，降低传输过程中的热损耗，实现了使用超低温气体将控温对象超低温制冷于
‑
150
o
C
以下并且可以长期精密控制，避免了由于低温液体制冷导致振动干扰，且运行成本更低，控温精度高
。
[0007]还提供了一种超低扰动的低温制冷系统的控制方法，其包括以下步骤：（1）真空工作空间中温度传感器获取被控温对象的温度数据信号，该数据信号输入温度控制器，同时使用温度采集卡对温度实现采集，用电脑记录数据并绘图；（2）温度控制器输出的电压信号是一个直流信号，通过对电压信号进行滤波和幅值压缩，此时的信号与来自经过幅值压缩的电压源的信号进行反向加法放大得到反向放大的信号，再使用一个电压幅度调节模块对电压幅度进行调整；（3）使用电压跟随器对前级和后级电路进行隔离，电压跟随器输出的信号与可控的直流电流源组成压控恒流电路，以便控制气体发生器的气体流速，进而对产生低温气体的量实现控制
。
附图说明
[0008]图
1 是根据本专利技术的超低扰动的低温制冷系统的结构示意图
。
[0009]图
2 是根据本专利技术的超本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.
一种超低扰动的低温制冷系统，其特征在于：其包括：低温气体发生器
、
低温气体传输系统
、
低温工作空间；低温气体发生器包括气体发生器（1）
、
低温液氮存储系统（2）
、
集气管道（3）
、
电源（5），低温液氮存储系统盛放液态制冷剂，带有绝热保温层（4）的集气管道放置于液态制冷剂中，集气管道和低温液氮存储系统底部之间间隔一定距离，气体发生器放置在集气管道中，通过电源给气体发生器供电使得液态制冷剂汽化产生低温制冷气体并通过集气管道收集；低温气体传输系统包括三层同轴的管道，分别是：外侧屏蔽层（6）
、
被动屏蔽层（7）
、
低温气体传输管道（8），低温气体传输管道直接与集气管道通过焊接相连，将收集的气体传出，被动屏蔽层与绝热保温层
、
真空工作空间（
10
）相连，被动屏蔽层和低温气体传输管道之间是真空环境，通过真空环境降低传输损耗，外侧屏蔽层与尾气收集管道（
12
）相连，利用尾气对被动屏蔽层制冷，降低其热辐射功率；低温工作空间的主体为真空工作空间（
10
），低温制冷气体进行热量交换的热交换区（
14
）设在真空工作空间内，利用温度传感器（9）测量热交换区的温度，将温度数据传递给温度控制器（
16
），温度控制器输出的控制信号经过制冷逻辑控制电路（
15
）反馈到低温气体发生器的电源上，从而实现低温气体流速的控制
。2.
根据权利要求1所述的超低扰动的低温制冷系统，其特征在于：所述集气管道由铜制作，所述低温液氮存储系统采用密闭保温结构封口
。3.
根据权利要求2所述的超低扰动的低温制冷系统，其特征在于：所述低温气体传输管道由不锈钢波纹管制作
。4.
根据权利要求3所述的超低扰...

【专利技术属性】
技术研发人员：林弋戈，杨涛，廖堂银，李烨，方占军，
申请(专利权)人：中国计量科学研究院，
类型：发明
国别省市：