CN108831664B - 一种用于低温压缩气体腔的具备换能功能的稳压装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种一种用于低温压缩气体腔的具备换能功能的稳压装置，用于解决快速制冷系统中低温压缩气体在不同环境中表面蒸气压稳定的问题，同时具有大范围适应环境温度变化与压力变化的效果。具体包括：通过连接管连通的换能器和稳压器；所述换能器上设置有低温压缩气体的入口，通过其内部设置的换能片组与所述低温压缩气体进行热交换；热交换后的所述低温压缩气体通过所述连接管进入所述稳压器，经所述稳压器稳压后排出。本发明采用换能器，使得低温压缩气体排出气体腔时大大减小对稳压器膜片组件的冲击，增加膜片使用寿命，提升稳压器稳压效果，而且没有结霜等不利现象；采用稳压器，使得低温压缩气体在进出气体腔时，保持低温腔内的液态压缩气体表面蒸气压稳定。

Description

一种用于低温压缩气体腔的具备换能功能的稳压装置

技术领域

本发明涉及一种稳压装置，具体涉及一种用于低温压缩气体腔的稳压装置，属于微波通讯设备技术领域。

背景技术

微波电子系统在各种通信系统中都起着至关重要的作用，高性能的微波系统的技术指标和特性在整个通信系统中起着关键性的作用。现如今，超导材料自发现以来，已经被广泛用于微波器件的制作。然而，无论是高温超导器件还是低温超导器件，其工作温度均在100K(零下173摄氏度)以下，需要满足较低的工作环境温度要求。

冷却高温超导电子器件的方法主要有两种：一种是直接采购制冷机制冷，成本较大，可达数万元，而且由室温到液氮温度的制冷时间一般需要几十分钟至几小时不等，难以满足快速制冷的需要；另一种方法是采用低温压缩气体降温，直接将电子器件放入绝热的低温容器中，输入低温压缩气体(液氮)，将低温容器与高温超导电子器件直接冷却，短时间内可以达到所需温度，可以实现非常快速的冷却，但是无法进行器件的测试工作。目前，最好的方法是将高温超导电子器件置于真空腔与低温压缩气体腔的间隙中，能够使超导降温系统小型化；并且低温压缩气体腔具有降温迅速、工作稳定、噪声小等效果。

然而，使用低温压缩气体降温时，液态压缩气体在不停的进行能量交换，低温压缩气体腔如果直接与外界空气相连，那么当超导降温系统环境或位置发生变化以及系统内部低温压缩气体总量发生变化时，超导器件的工作温度将发生改变，这将直接导致其不能正常工作，而且会出现在出气口迅速结霜等不利现象，影响系统稳定性；如果直接采用传统的背压阀，一方面背压阀没有换能这个环节，难以应对出气量大、大量能量交换的情况，致使其不能正常工作，另一方面，背压阀的弹力范围较大，难以满足实际工作需求。因此，设计并制备一个具有换能作用的、可用于低温压缩气体的稳压装置，具有很大的实际应用价值。

发明内容

有鉴于此，本发明提供一种用于低温压缩气体腔的具备换能功能的稳压装置，为使用低温压缩气体腔快速制冷的超导电子器件在复杂工作环境中持续稳定工作提供保障，同时解决了超导降温系统中在不同降温阶段低温压缩气体的换能问题。

所述的用于低温压缩气体腔的具备换能功能的稳压装置：包括：通过连接管连通的换能器和稳压器；

所述换能器上的气体入口与低温压缩气体腔的气体出口连通，所述换能器通过其内部设置的换能片组与所述低温压缩气体进行热交换；热交换后的所述低温压缩气体通过所述连接管进入所述稳压器；

所述稳压器包括：恒压器基座和恒压器上盖；恒压器基座上设置有气体出口，恒压器基座上分别设置有与所述连接管连通的气体通路A和与所述气体出口连通的气体通路B；所述恒压器上盖下端面设置有凹槽；所述恒压器上盖下表面与所述恒压器基座上表面对接，其对接面上设置膜片，此时所述恒压器上盖下端面的凹槽内密封设定压力的气体，作为压力腔体，气体通路A与气体通路B不连通；当所述气体通路A内的气体顶开所述膜片时，所述气体通路A与所述气体通路B连通。

作为本发明的一种优选方式：所述换能器包括：换能器基座、内换能片组、外换能片组和换能器上盖；所述换能器基座上设置有低温压缩气体的气体入口，内部设置有内换能片组，所述内换能片组用于和从气体入口进入换能器基座的低温压缩气体进行热交换；所述内换能片组外部设置有外换能片组，所述外换能片组用于外部环境与所述内换能片组之间的热交换；所述换能器上盖用于将所述换能器基座顶部开口封闭。

作为本发明的一种优选方式：所述换能器中还包括用于对其内部的低温压缩气体进行热补偿的加热器和温控器。

作为本发明的一种优选方式：所述稳压器中还包括用于对其内部的气体温度进行调节的加热器和温控器。

有益效果：

(1)本发明的稳压装置能够有效解决快速制冷系统中低温压缩气体在不同环境中表面蒸气压稳定的问题，能够适应大范围环境温度变化与压力变化，使低温压缩气体腔内的液态压缩气体表面蒸气压稳定；从而为使用低温压缩气体腔快速制冷的超导电子器件在复杂工作环境中持续稳定工作提供保障，保持腔内的低温压缩气体温度稳定；

增加的换能器解决了超导降温系统中在不同降温阶段低温压缩气体的换能问题，使得低温压缩气体排出气体腔时大大减小对稳压器膜片组件的冲击，增加膜片使用寿命，提升稳压器稳压效果，为稳压器提供了稳定工作的必要条件，同时使得低温压缩气体排出气体腔时，没有结霜等不利现象。

(2)本发明中的换能器采用内外双换能片设计，通过极大地提高换能器表面积使其能够非常高效的具有较大的空气接触面积，能够应对大体积气体的换能需求。

(3)在稳压器中设置温控器及加热器保证膜片的温度相对稳定，减小低温气体与环境温度降低造成的影响；在换能器中设置温控器及加热器，能够在低温压缩气体蒸汽温度过低或通气量过大时以及在极端环境中提供功率补偿。

附图说明

图1为本发明的稳压换能装置的立体图结构示意图；

图2为本发明的稳压换能装置的内部结构示意图。

其中：1-换能器上盖；2-密封圈；3-外换能片组；4-换能器基座；5-气体入口；6-内换能片组；7-温控器A；8-连接管；9-恒压器基座；10-温控器B；11-加热器B；12-膜片；13-气体出口；14-恒压器上盖、15-换能器、16-稳压器。

具体实施方式

下面结合附图并举实施例，对本发明进行详细描述。

本实施例提供一种具备换能功能的稳压装置，用在用于冷却高温超导电子器件的超导降温系统中，超导降温系统的低温压缩气体腔通过该稳压装置与外界空气相连，能够保证解决低温压缩气体腔内气压稳定，使超导电子器件在复杂工作环境中温度稳定，使其能够持续稳定工作。

如图1所示，该稳压换能装置包括换能器15和稳压器16两大部分，这两部分之间通过连接管8连通。

如图2所示，换能器15包括：换能器基座4、内换能片6、外换能片3和换能器上盖1。其中换能器基座4下表面设置有气体入口5；其中气体入口5与超导降温系统中的低温压缩气体腔的出气口连接。换能器基座4上表面与气体入口5对应位置设置有用于安装内换能片组6的内换能片组安装槽，内换能片组6用于和气体入口5进入换能器基座4的低温气体进行热交换；内换能片组安装槽的外部即换能器基座4的外圆周设置了一圈外换能片组3，外换能片组3用于实现外部环境与内换能片组6之间的热交换。换能器基座4顶部加盖换能器上盖1，并在其对接面上通过密封圈2进行密封。

换能器15的工作原理为：超导降温系统的低温压缩气体腔出来的低温气体通过气体入口5进入换能器15内部后，与内换能片组6进行充分热交换，内换能片组6与外换能片组3通过换能器基座4进行热交换，外换能片组3呈环绕一圈排布方式，可以使气体进行充分的换能。

稳压器16包括：恒压器基座9和恒压器上盖14；恒压器基座9上设置有气体出口13，恒压器基座9上分别设置有与连接管8连通的气体通路A和与气体出口13连通的气体通路B；恒压器上盖14下端面设置有凹槽，当将恒压器上盖14安装在恒压器基座9顶部时，恒压器上盖14下端面的压力腔体与恒压器基座9上表面的两个气体通路贯通，形成气体仓。恒压器上盖14与恒压器基座9对接面之间由膜片12隔开，此时恒压器上盖14下端面的凹槽内密封有一定压力的气体(约1标准大气压)，作为压力腔体，以保证与该装置相连的低温压缩气体腔保持一个恒定的压力，不受环境压力变化。

在恒压器上盖14与恒压器基座9的对接面上，气体通路B所在位置略高，从而使膜片12产生微量形变，以保证膜片12盖住气体通路B起到微压调节作用。同时在恒压器基座9上表面压力腔体对应位置的外侧设置环形凹槽，且该环形凹槽内圈比外圈高度略小，由此当恒压器上盖14与恒压器基座9对接时，环形凹槽外圈先受力压接而内圈会因膜片12被压入环形凹槽时左右两侧收到的力不均匀而使中间的膜片撑起，而不会不平整。

稳压器16的工作原理为：经换能器15换能后的气体通过连接管8进入恒压器基座9上方的气体通路A，由此气体通路A与压力腔体之间由于膜片12的重力闭合，气体通路A与气体通路B之间不连通；当气体量足够大时，气体顶开膜片12，使得气体通路A与气体通路B连通，气体通路A内的气体进入气体仓中有气体出口的那部分(即气体通路B内)，然后通过气体出口13排出。当气体流出过多，气压不及膜片12重力时，膜片12重新闭合，如此以达到恒压的功能。

为减小对低温气体与环境温度降低造成的影响，在恒压器基座9下表面分别设置有温控器B10和加热器B11。通过温控器和加热器对换能器15和稳压器16中的气体温度进行调节(通过温控器保证将气体温度加热至设定值)，以应对不同大小的气压和环境变化对稳压换能装置的影响。

为防止在气体温度过低，通气量过大时，换能器15功率不足，在换能器基座4下表面与稳压器16相连的一端分别设置温控器A7和加热器A对其进行功率补偿。

该稳压换能装置的具体工作过程如下：工作前，根据高温超导系统的测试要求及压缩气体特征，选取合适材质及重量的膜片，随后就可以进行稳定而又便捷的测试工作。使用超导降温系统对高温超导电子器件进行降温时，随着降温功能的实现，液态压缩气体在不停的进行能量交换，通过其挥发吸热的原理保证超导电子器件一直稳定在其所需的工作温度，这期间会经历三个阶段，第一阶段，由室温降低到近标准状况液氮温区(大约是293k至80K)，在这个过程中会伴随着非常大的热量交换，需要持续补充低温压缩气体，产生大量的低温气体；第二阶段，从接近标准状况下液氮温区到达高温超导电子器件的设定工作温度(大约是80K至78K)，这时的能量交换较前一阶段略低，此时稳压装置中温控器A7和加热器A同时与换能器工作起作用，保证稳压器正常稳定工作；第三阶段，此时高温超导器件已达到目标使用温度并正常发挥威力，低温压缩气体的换能主要用于中和掉系统漏热，此时的低温液态气体消耗多少主要取决于系统漏热大小，由于超导器件所处的位置一般为真空暗室环境漏热很低，此时换能器完全可以单独满足换能需要。

综上所述，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.用于低温压缩气体腔的具备换能功能的稳压装置，其特征在于：包括：通过连接管(8)连通的换能器(15)和稳压器(16)；所述换能器(15)上的气体入口(5)与低温压缩气体腔的气体出口连通，所述换能器(15)通过其内部设置的换能片组与所述低温压缩气体进行热交换；热交换后的所述低温压缩气体通过所述连接管(8)进入所述稳压器(16)；所述稳压器(16)包括：恒压器基座(9)和恒压器上盖(14)；恒压器基座(9)上设置有气体出口(13)，恒压器基座(9)上分别设置有与所述连接管(8)连通的气体通路A和与所述气体出口(13)连通的气体通路B；所述恒压器上盖(14)下端面设置有凹槽；所述恒压器上盖(14)下表面与所述恒压器基座(9)上表面对接，所述恒压器基座(9)上表面压力腔体对应位置的外侧设置有环形凹槽，且所述环形凹槽的内圈比外圈高度小；所述恒压器上盖(14)与所述恒压器基座(9)的对接面上设置膜片(12)，此时所述恒压器上盖(14)下端面的凹槽内密封设定压力的气体，作为压力腔体，气体通路A与气体通路B不连通；当所述气体通路A内的气体顶开所述膜片(12)时，所述气体通路A与所述气体通路B连通。

2.如权利要求1所述的用于低温压缩气体腔的具备换能功能的稳压装置，其特征在于：所述换能器(15)包括：换能器基座(4)、内换能片组(6)、外换能片组(3)和换能器上盖(1)；所述换能器基座(4)上设置有低温压缩气体的气体入口(5)，内部设置有内换能片组(6)，所述内换能片组(6)用于和从气体入口(5)进入换能器基座(4)的低温压缩气体进行热交换；所述内换能片组(6)外部设置有外换能片组(3)，所述外换能片组(3)用于外部环境与所述内换能片组(6)之间的热交换；所述换能器上盖(1)用于将所述换能器基座(4)顶部开口封闭。

3.如权利要求1或2所述的用于低温压缩气体腔的具备换能功能的稳压装置，其特征在于：所述换能器(15)中还包括用于对其内部的低温压缩气体进行热补偿的加热器和温控器。

4.如权利要求1或2所述的用于低温压缩气体腔的具备换能功能的稳压装置，其特征在于：所述稳压器(16)中还包括用于对其内部的气体温度进行调节的加热器和温控器。

5.如权利要求2所述的用于低温压缩气体腔的具备换能功能的稳压装置，其特征在于：所述换能器上盖(1)与所述换能器基座(4)密封对接。

6.如权利要求2所述的用于低温压缩气体腔的具备换能功能的稳压装置，其特征在于：所述换能器基座(4)为圆柱形结构，其外圆周面上沿周向间隔设置一周外换能片，形成外换能片组(3)。

7.如权利要求1或2所述的用于低温压缩气体腔的具备换能功能的稳压装置，其特征在于：在所述恒压器上盖(14)与恒压器基座(9)的对接面上，所述气体通路B所在位置具有凸起。

8.如权利要求1或2所述的用于低温压缩气体腔的具备换能功能的稳压装置，其特征在于：在所述恒压器基座(9)上表面，压力腔体对应位置的外侧设置环形凹槽，所述环形凹槽内圈高于其外圈；当在所述恒压器上盖(14)与恒压器基座(9)对接面设置所述膜片(12)时，所述恒压器上盖(14)与恒压器基座(9)对接面处的所述膜片(12)压入环形凹槽内。

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