一种适用于高纯锗探测的零蒸发液氮储罐

技术领域

本发明涉及高纯锗谱仪探头的持续冷却领域，更具体涉及一种适用于高纯锗探测的零蒸发液氮储罐。

背景技术

高纯锗探测使用时需要持续保持低温的环境，为了改善不断加注液氮带来的困扰，需要设计一种液氮回凝的零蒸发制冷系统，保证探测的持续进行，较低静态蒸发率、更短的回凝时间，能满足加注一次液氮使用两年以上的效果，为此需要设计一套低漏热、重量轻、强度高的液氮储罐。

传统的液氮生物容器在采用铝合金材质的情况下，只能有一个主颈管，由于横向受力而无法在一个液氮封头上设置第二个颈管；采用不锈钢的情况下，重量不满足便携性，而且受力点在颈管、无侧向支撑等诸多痛点。

现有专利公告号为CN112731513 A的专利文献公开了一种制冷机减振结构。制冷机减振结构包括：液氮罐，高纯锗谱仪的探头伸入液氮罐中，液氮罐中的液氮用于对探头进行冷却；安装底板，设于液氮罐上，安装底板上设置有连通液氮罐内部的第一通孔；减振垫，设于安装底板上；制冷机连接法兰，设于减振垫上，用于安装制冷机，制冷机连接法兰上设置有用于供制冷机的制冷管道穿过的第二通孔；波纹管，其两端分别固定在安装底板和制冷机连接法兰上，且波纹管的两端分别与第一通孔和第二通孔对应；制冷机，设于制冷机连接法兰上，制冷机的制冷管道依次穿过第二通孔、波纹管以及第一通孔后进入液氮罐中。能减轻制冷机的振动、提升高纯锗谱仪检测准确性。

该专利文献通过波纹管连接制冷机与法兰，起到减小制冷机震动的作用，但其核心漏热的技术问题文中未阐述，从其产品手册看，蒸发率较高。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于，如何降低液氮储罐的漏热，减少蒸发率。

本发明通过以下技术手段实现解决上述技术问题的：一种适用于高纯锗探测的零蒸发液氮储罐，包括制冷机、液氮杜瓦、储罐、注入口封头组件，所述储罐内设有真空腔体，所述液氮杜瓦悬吊设于真空腔体内，且液氮杜瓦底部与储罐底部内壁之间留有间隙，所述注入口封头组件通过穿过罐体顶部的主颈管波纹管与液氮杜瓦相连，所述制冷机设于罐体顶部，且其制冷端通过制冷机不锈钢波纹管与液氮杜瓦相连，所述主颈管波纹管两端分别通过钢铝接头与注入口封头组件和液氮杜瓦固定连接，所述制冷机不锈钢波纹管两端分别通过钢铝接头与注入口封头组件和液氮杜瓦连接紧固。

通过使用钢铝接头和不锈钢波纹管可实现双颈管的设置，克服了在原有环氧树脂或者G10材质下，由于横向受力的问题无法设置第二个颈管的技术缺陷，同时使用钢铝接头可保证不锈钢波纹管可与液氮杜瓦、注入口封头组件、制冷机等铝合金结构进行连接，不但延长了热传导的距离，降低了制冷机的横向震动，更是极大限度减少系统的漏热，降低液氮的蒸发率，可实现更长时间的静态测试与更短的回凝时间，延长制冷机使用寿命。

作为优选的技术方案，所述储罐包括罐体、上法兰、下法兰，所述上法兰、罐体、下法兰围合形成一个密闭的腔体结构，所述上法兰通过多个G10拉杆与液氮杜瓦固定连接，通过使储罐内形成一个密闭的真空腔体，减少了漏热，同时通过使用G10材质的拉杆可进一步延长传热距离，降低漏热。

作为优选的技术方案，所述G10拉杆一端通过螺纹连接块与上法兰底壁固定连接，所述液氮杜瓦外壁固定设有连接块，所述G10拉杆另一端穿过连接块并通过拉杆下螺母与拉杆上螺母连接紧固，通过将G10拉杆与上法兰连接，将受力点转移至上法兰与真空筒体，提高了强度，同时通过G10材质的拉杆减小了漏热。

作为优选的技术方案，所述主颈管波纹管一端通过主波纹管上钢铝接头与注入口封头组件固定连接，所述主波纹管上钢铝接头的不锈钢部与主颈管波纹管焊接固定，所述主颈管波纹管的铝合金部与注入口封头组件焊接固定。

作为优选的技术方案，所述储罐顶部固定设有上法兰罩，所述注入口封头组件包括四氟上封头、下封头，所述上法兰罩顶部固定连接有下封头，所述下封头与四氟上封头固定连接，所述上法兰罩内设有压力变送器，所述压力变送器与下封头固定连接。

作为优选的技术方案，所述注入口封头组件还包括设于四氟上封头上的安全阀、电容液位计、氮气管路、液氮管路，所述氮气管路和液氮管路端部分别设有氮气出口和液氮注入口，所述电容液位计伸入液氮罐内，通过将安全阀、电容液位计、氮气出口、液氮注入口全部集成在四氟上封头中，可以一体拆卸，方便使用和维修。

作为优选的技术方案，还包括制冷机盖、制冷机法兰、减震垫圈，所述制冷机法兰固定设于上法兰顶部，所述制冷机通过减震垫圈固定设于制冷机法兰顶部，所述制冷机盖固定设于上法兰罩顶部，通过将制冷机盖固定设于上法兰罩顶部与减震垫圈的设置，增大了制冷机的轴向震动沿程。

作为优选的技术方案，所述液氮杜瓦上开设有与主颈管波纹管和钢铝接头相适配的制冷机波纹管下连接凹槽，所述储罐底部内壁设有G10轴向稳定块，所述液氮杜瓦底部设有与G10轴向稳定块相适配的滑块，通过G10轴向稳定块的设置，固定在下法兰中间，且与上液氮杜瓦壁面不接触，只有轴向晃动的时候会接触，不仅减少了漏热，而且起到轴向的定位作用。

作为优选的技术方案，所述主颈管波纹管与制冷机不锈钢波纹管采用不锈钢304材质，壁厚0.15mm，将制冷机不锈钢波纹管、主颈管波纹管采用不锈钢304材质，壁厚0.15mm，起到增大热传导距离减小漏热的作用，同时有效的降低液氮筒体的震动，使得液位测量更为准确。

作为优选的技术方案，所述储罐顶部设有散热挡板、散热风扇，所述散热挡板位于主颈管波纹管与制冷机之间，所述散热风扇位于制冷机外侧。

本发明的优点在于：

(1)本发明中，通过使用钢铝接头和不锈钢波纹管可实现双颈管的设置，克服了在原有环氧树脂或者G10材质下，由于横向受力的问题无法设置第二个颈管的技术缺陷，同时使用钢铝接头可保证不锈钢波纹管可与液氮杜瓦、注入口封头组件、制冷机等铝合金结构进行连接，不但延长了热传导的距离，降低了制冷机的横向震动，更是极大限度减少系统的漏热，降低液氮的蒸发率，可实现更长时间的静态测试与更短的回凝时间，延长制冷机使用寿命。

(2)本发明中，通过将G10拉杆与上法兰连接，将受力点转移至上法兰与真空筒体，提高了强度，同时通过G10材质的拉杆减小了漏热。

(3)本发明中，通过将安全阀、电容液位计、氮气出口、液氮注入口全部集成在四氟上封头中，可以一体拆卸，方便使用和维修。

(4)本发明中，将制冷机不锈钢波纹管、主颈管波纹管采用不锈钢304材质，壁厚0.15mm，起到增大热传导距离减小漏热的作用，同时有效的降低液氮筒体的震动，使得液位测量更为准确。

(5)本发明中，通过G10轴向稳定块的设置，固定在下法兰中间，且与上液氮杜瓦壁面不接触，只有轴向晃动的时候会接触，不仅减少了漏热，而且起到轴向的定位作用。

附图说明

图1为本发明实施例提供的一种适用于高纯锗探测的零蒸发液氮储罐的俯视结构示意图；

图2为本发明实施例提供的一种适用于高纯锗探测的零蒸发液氮储罐的图1的A-A结构示意图；

图3为本发明实施例提供的一种适用于高纯锗探测的零蒸发液氮储罐的图1的B-B结构示意图；

图4为本发明实施例提供的一种适用于高纯锗探测的零蒸发液氮储罐的注入口封头组件结构示意图；

图5为本发明实施例提供的一种适用于高纯锗探测的零蒸发液氮储罐的散热挡板结构示意图；

图6为本发明实施例提供的一种适用于高纯锗探测的零蒸发液氮储罐的内部结构示意图；

图7为本发明实施例提供的一种适用于高纯锗探测的零蒸发液氮储罐的G10拉杆的受力分析(容器模拟30L液氮)示意图；

图8为本发明实施例提供的一种适用于高纯锗探测的零蒸发液氮储罐的主颈管根部角焊缝的增强效果示意图；

附图标号：1、制冷机盖；2、上法兰罩；3、小型斯特林制冷机；4、制冷机法兰；5、减震垫圈；6、制冷机上钢铝接头；7、制冷机不锈钢波纹管；8、制冷机波纹管下连接凹槽；9、制冷机下钢铝接头；10、液氮杜瓦；11、冷凝器；12、电容液位计；13、G10轴向稳定块；14、四氟上封头；15、液位计显示器；16、安全阀；17、下封头；18、主波纹管上钢铝接头；19、上法兰；20、主颈管波纹管；21、G10拉杆；22、主波纹管下钢铝接头；23、真空腔体；24、氮气出口；25、压力变送器；26、液氮注入口；27、把手；28、拉杆上螺母；29、拉杆下螺母；30、下法兰；31、主颈管波纹管下连接凹槽；32、散热挡板；33、散热风扇；34、抽空口。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

参阅图2，一种适用于高纯锗探测的零蒸发液氮储罐，包括制冷机、液氮杜瓦10、储罐、注入口封头组件，本实施例中，制冷机为小型斯特林制冷机3，储罐内设有真空腔体23，液氮杜瓦10悬吊设于真空腔体23内，且液氮杜瓦10底部与储罐底部内壁之间留有间隙，注入口封头组件通过穿过罐体顶部的主颈管波纹管20与液氮杜瓦10相连，制冷机设于罐体顶部，且其制冷端通过制冷机不锈钢波纹管7与液氮杜瓦10相连，主颈管波纹管20两端分别通过钢铝接头与注入口封头组件和液氮杜瓦10固定连接，本实施例中，为焊接固定，制冷机不锈钢波纹管7两端分别通过钢铝接头与注入口封头组件和液氮杜瓦10连接紧固；制冷机的输出端连接有冷凝器11；

主颈管波纹管20与制冷机不锈钢波纹管7采用不锈钢304材质，壁厚0.15mm；将制冷机不锈钢波纹管7、主颈管波纹管20采用不锈钢304材质，壁厚0.15mm，起到增大热传导距离减小漏热的作用，同时有效的降低制冷机通过上法兰19传递给液氮杜瓦10的竖向震动，使得液位测量更为准确；液氮杜瓦10包括上封头、杜瓦本体、下封头，上封头通过杜瓦本体与下封头固定连接；通过制冷机与漏热的冷热对坑，实现系统(储罐)的液氮零蒸发；

通过使用钢铝接头和不锈钢波纹管可实现双颈管的设置，克服了在原有铝合金材质下，由于横向受力的问题无法设置第二个颈管的技术缺陷，原有颈管在铝合金的材质下，只能有一个主颈管，由于横向受力而无法在一个液氮封头上设置第二个颈管；采用不锈钢的情况下，重量不满足便携性，而且存在受力点在颈管、无侧向支撑等诸多痛点，同时使用钢铝接头可保证不锈钢波纹管可与液氮杜瓦10、注入口封头组件、制冷机等铝合金结构进行连接，不但延长了热传导的距离，降低了漏热，更降低了制冷机带来的横向震动。

参阅图3，储罐包括罐体、上法兰19、下法兰30，上法兰19、罐体、下法兰30围合形成一个密闭的腔体结构即真空腔体23，上法兰19顶部固定连接有上法兰罩2，上法兰罩2与上法兰19围合形成另一密闭的腔体结构，上法兰19通过多个G10拉杆21与液氮杜瓦10固定连接，G10拉杆21即为采用G10材质的拉杆，通过G10拉杆21连接液氮杜瓦10，将受力点转移至上法兰19提高了强度，同时通过G10材质的拉杆减小了漏热；G10拉杆21一端通过螺纹连接块与上法兰19底壁固定连接，液氮杜瓦10外壁固定设有连接块，G10拉杆21另一端穿过连接块并通过拉杆下螺母29与拉杆上螺母28连接紧固，罐体外还设有两个把手27，便于移动设备，罐体顶部设有抽空口34，通过抽空口34可对罐体进行抽空。

参阅图1和图4，注入口封头组件包括四氟上封头14、下封头17、安全阀16、电容液位计12、氮气管路、液氮管路，氮气管路和液氮管路端部分别设有氮气出口24和液氮注入口26，电容液位计12伸入液氮罐内，上法兰罩2顶部固定连接有下封头17，下封头17通过O圈与四氟上封头14密封，并通过四根长螺钉连接紧固，上法兰罩2内设有压力变送器25，压力变送器25与下封头17固定连接，压力变送器25通过NPT螺纹固定在下封头17上，用来监测内部压力，将安全阀16、电容液位计12、氮气出口24和液氮注入口26全部集成到四氟上封头14上，并使其与四氟上封头14可拆卸连接，方便使用和维修，上法兰罩2顶部设有液位计显示器15，液位计显示器15显示电容液位计12所测液位，其均为市购件。

参阅图3，液氮杜瓦10上设置有主颈管波纹管下连接凹槽31，主颈管波纹管20一端通过主波纹管上钢铝接头18与下封头17固定连接，主波纹管上钢铝接头18的不锈钢部与主颈管波纹管20焊接固定，主颈管波纹管20另一端通过主波纹管下钢铝接头22与主颈管波纹管下连接凹槽31焊接固定，主波纹管下钢铝接头22的不锈钢部分与主颈管波纹管20焊接，铝合金部分与主颈管波纹管下连接凹槽31焊接固定，主颈管波纹管20的铝合金部与下封头17焊接固定，液氮杜瓦10上设置有制冷机波纹管下连接凹槽8，制冷机不锈钢波纹管7通过制冷机上钢铝接头6与上法兰19焊接固定，制冷机上钢铝接头6的不锈钢部分与制冷机不锈钢波纹管7焊接，制冷机波纹管下连接凹槽8的铝合金部分与制冷机下钢铝接头9焊接，再与制冷机不锈钢波纹管7焊接固定。

除了制冷机上钢铝接头6、制冷机不锈钢波纹管7、制冷机下钢铝接头9、电容液位计12、G10轴向稳定块13、四氟上封头14、液位计显示器15、安全阀16、G10拉杆21外，装置中涉及到的材料基本基本上铝合金6061-T6材质，有效的减少了装置的整体重量。

参阅图2，制冷机法兰4固定设于上法兰19顶部，制冷机通过减震垫圈5固定设于制冷机法兰4顶部，制冷机通过减震垫圈5压在制冷机法兰4上，同时使制冷机盖1固定设于上法兰罩2顶部，用来增大制冷机的轴向震动沿程。

参阅图5，储罐顶部设有散热挡板32、散热风扇33，散热挡板32位于主颈管波纹管20与制冷机之间，散热风扇33位于制冷机外侧，散热风扇33固定在散热挡板32上，对制冷机进行风冷散热，同时散热挡板32壁面热量传递到主颈管，减少漏热。

参阅图6，本装置主要的受力点为，通过三根G10的螺纹杆(G10拉杆21)固定在上法兰19，来拉液氮杜瓦10，有很高的强度，相较于传统的模式，受力点转移到上法兰19与真空筒体，更为可靠，受力分析参阅图7、图8。最大应力产生在上法兰19中间孔为57MPa，尺寸为424x13mm；最大变形0.6mm，考虑到焊缝的加强，实际变形小于0.6mm。

参阅图2，储罐底部内壁设有G10轴向稳定块13，液氮杜瓦10底部设有与G10轴向稳定块13相适配的滑块，G10轴向稳定块)与液氮杜瓦10底部壁面不接触，只有轴向位移的时候会接触，一是减少漏热，二是起到轴向的定位作用，配合三根G10拉杆21有效的保证内容器的稳定性。

系统理论总漏热从77K到300K为0.48W，其中，主颈管波纹管20的漏热0.05W；制冷机不锈钢波纹管7漏热0.15W；电容液位计12探测杆漏热0.24W；辐射漏热0.017W，包扎约80层绝热材料；三根G10拉杆21的总漏热在0.03W；而0.48W漏热1天汽化0.26L液氮，实际连续测试五天，无探测杆负载时的静态蒸发率为0.12L/d，对应漏热约0.23W，可视为系统零蒸发。

同级别ORTEC产品无负载漏热3L/d。

使用不锈钢杆模拟探测器的漏热，不锈钢杆的尺寸为38×2，长488mm，此时理论漏热1.29W。而实际漏热约1.5W约0.8L/d，包括0.23W的静态漏热，测试杆件的实际漏热1.27W，与1.29W相差1.6％，精度较高。

以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。