技术领域
[0001] 本发明涉及超低温制冷技术领域，尤其涉及一种制冷设备及其制冷方法。
相关背景技术
[0002] 现有超低温供冷技术中，一般采用液氮罐供冷，液氮吸热后排入环境中。
[0003] 然而，现有技术的供冷状态为气液两相态，对环境要求极高的使用场合，影响使用对象的精确度，造成使用环境不稳定。具体而言，在一些应用场景中，液氮等液态载冷剂对低温电子显微镜的分辨率会造成干扰，纯气态的载冷剂更利于低温电子显微镜保持正常工作；而在另一些应用场景中，纯液态的载冷剂又更利于低温设备保持正常工作。
具体实施方式
[0043] 下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，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。
[0044] 需要说明，若本发明实施例中有涉及方向性指示(诸如上、下、左、右、前、后……)，则该方向性指示仅用于解释在某一特定姿态(如附图所示)下各部件之间的相对位置关系、运动情况等，如果该特定姿态发生改变时，则该方向性指示也相应地随之改变。
[0045] 另外，若本发明实施例中有涉及“第一”、“第二”等的描述，则该“第一”、“第二”等的描述仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示其相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。另外，若全文中出现的“和/或”的含义为，包括三个并列的方案，以“A和/或B”为例，包括A方案，或B方案，或A和B同时满足的方案。另外，各个实施例之间的技术方案可以相互结合，但是必须是以本领域普通技术人员能够实现为基础，当技术方案的结合出现相互矛盾或无法实现时应当认为这种技术方案的结合不存在，也不在本发明要求的保护范围之内。
[0046] 本发明提出一种制冷设备，可适用于对需要在采用气态供冷的低温环境下工作的装置循环供应气态载冷剂，特别是低温电子显微镜；也可适用于对需要在采用液态供冷的低温环境下工作的装置循环供应液态载冷剂，此处不限。
[0047] 参照图1至图3，在本发明一实施例中，该制冷设备1与应用端2可通过供冷管路连通，应用端2为密闭结构，其内可放置低温电子显微镜等待冷却装置100。制冷设备1包括储气装置10、载冷剂泵20、预冷机30、制冷机40和气液分离器50。储气装置10的进气端适于与待冷却装置100的出气端连通。预冷机30的输入端通过载冷剂泵20与储气装置10的出气端连通，以用于对载冷剂进行预冷却。制冷机40的输入端与预冷机30的输出端连通，以用于产生冷量并将其与载冷剂进行热交换来冷却载冷剂。气液分离器50的输入端与制冷机40的输出端连通，气液分离器50的输出端设有并联设置的第一供冷管道41和第二供冷管道42，第一供冷管道41和第二供冷管道42均适于与待冷却装置100的输入端连通；其中，第一供冷管道41上设有第一阀门411，第二供冷管道42上设有第二阀门421。气液分离器50，用于将载冷剂分离为气相载冷剂和液相载冷剂，以通过气相载冷剂或液相载冷剂冷却待冷却装置100；第一供冷管道41用于输送气相载冷剂，第二供冷管道42用于输送液相载冷剂。
[0048] 其中，储气装置10可为储罐，其内可储存液体载冷剂、气体载冷剂或两者，此处不限。
[0049] 本实施例中，第一阀门411和第二阀门421均可为电磁阀、手动阀或两者的组合，此处不限。
[0050] 需要说明，若需采用气相供冷，则制冷系统控制第一阀门411打开，以使气相载冷剂通过第一供冷管道41通入至待冷却装置100；若需采用液相供冷，则制冷系统控制第二阀门421打开，以使液相载冷剂通过第二供冷管道42通入至待冷却装置100。
[0051] 本实施例中，制冷机40可采用热声制冷机等，热声制冷机的内循环介质不限。制冷机40的制冷温度可为‑100℃以下，特别是在制冷温度为‑190℃左右时，气态载冷剂降温至‑190℃左右，可以有效地解决液氮等液态载冷剂对低温电子显微镜的分辨率造成干扰的问题，能够使低温电子显微镜的性能达到较佳状态。
[0052] 另外，该制冷设备1的制冷机40为热声制冷机时，热声制冷机的散热端可设置散热件，散热件可以是风扇，也可是液冷件，或者是风冷与液冷的组合，此处不做限定。
[0053] 预冷机30可采用热电制冷或其它原理形式的制冷装置，非热声原理的制冷装置，预冷机30的冷端提供冷量以预冷却载冷剂。
[0054] 在本发明的技术方案中，该制冷设备1包括储气装置10、载冷剂泵20、预冷机30、制冷机40和气液分离器50；储气装置10的进气端适于与待冷却装置100的出气端连通；预冷机30的输入端通过载冷剂泵20与储气装置10的出气端连通，以用于对载冷剂进行预冷却；制冷机40的输入端与预冷机30的输出端连通，以用于产生冷量并将其与载冷剂进行热交换来冷却载冷剂；气液分离器50的输入端与制冷机40的输出端连通，气液分离器50的输出端设有并联的第一供冷管道41和第二供冷管道42，第一供冷管道41和第二供冷管道42均适于与待冷却装置100的输入端连通；其中，第一供冷管道41上设有第一阀门411，第二供冷管道42上设有第二阀门421；气液分离器50，用于将载冷剂分离为气相载冷剂和液相载冷剂，以通过气相载冷剂或液相载冷剂冷却待冷却装置100；第一供冷管道41用于输送气相载冷剂，第二供冷管道42用于输送液相载冷剂。如此，实现了根据应用场合的不同需求，自主选择供冷状态，以解决载冷剂对使用环境造成干扰或引起使用环境不稳定的问题，并提高制冷适用性。并且，该供冷系统为封闭式循环，解决了液氮罐供冷的载冷剂不能回收存储和循环利用的问题，节省了制冷成本。
[0055] 此外，本发明的制冷设备1通过设置储气装置10，能够存储一定量的载冷剂，能够确保整个制冷过程更加稳定，使得制冷效果更佳。
[0056] 参考图1至图3，在一实施例中，该制冷设备1还包括整体隔热装置70，预冷机20的冷端和制冷机30的冷端均设置于整体隔热装置70内；整体隔热装置70为真空隔热箱或气凝胶隔热箱等。
[0057] 通过设置整体隔热装置70，提高了该制冷设备1的隔热效果，可以使其与外界热交换尽量减小，从而保证制冷的稳定性。
[0058] 参考图1，在一实施例中，载冷剂泵20可为低温泵，低温泵的输入端适于与待冷却装置100的输出端连通，低温泵的输出端与制冷机40的输入端连通。
[0059] 需要说明，低温泵是利用低温表面冷凝气体的真空泵，又称冷凝泵。低温泵可以获得抽气速率最大、极限压力最低的清洁真空，广泛应用于半导体和集成电路的研究和生产，以及分子束研究、真空镀膜设备、真空表面分析仪器、离子注入机和空间模拟装置等方面。
[0060] 在本实施例中，载冷剂的循环流向为：制冷机40的冷端冷盘产生冷量与载冷剂进行热交换，载冷剂降温后进入气液分离器50，气液分离器50将载冷剂分离为气相载冷剂或液相载冷剂，气相载冷剂通过第一供冷管道41或液相载冷剂通过第二供冷管道42进入应用场合，冷却相应的用冷对象，然后载冷剂在应用场合中吸热后回流至储气装置10，再在低温泵驱动下进入预冷机30的冷端被预冷，再进入至制冷机40的冷盘，如此循环往复。
[0061] 当然，在一些其他实施例中，如图2所示，载冷剂泵20也可为常规泵，制冷设备1还可包括回热器60，通过采用常规泵和回热器60的组合替代上述低温泵，以达到相似的输送和预冷效果。
[0062] 本实施例中，回热器60的热端输入口与预冷机30的输出端连通，回热器60的热端输出口与制冷机40的输入端连通，回热器60的冷端输入口适于与待冷却装置100的输出端连通，回热器60的冷端输出口与储气装置10的进气端连通。回热器60的冷端，用于加热载冷剂；回热器60的热端，用于预冷却载冷剂。
[0063] 在本实施例中，载冷剂的循环流向为：制冷机40的冷端冷盘产生冷量与载冷剂进行热交换，载冷剂降温后进入气液分离器50，气液分离器50将载冷剂分离为气相载冷剂和液相载冷剂，气相载冷剂通过第一供冷管道41或者液相载冷剂通过第二供冷管道42进入应用场合中，冷却相应的用冷对象，气相载冷剂或液相载冷剂在应用环境中吸热后回流至回热器60的冷端，再经回热器60的冷端吸热后进入至储气装置10，再通过常规泵输送至预冷机30的冷端被预冷却，之后进入回热器60的热端放热进行二次预冷却，最后再进入制冷机40的冷盘，如此循环往复。
[0064] 当然，在另一实施例中，回热器60的热端也可设置于载冷剂泵20与预冷机30之间，如图3所示，回热器60的热端输入口与载冷剂泵10的输出端连通，回热器60的热端输出口与预冷机30的输入端连通，回热器60的冷端输入口适于与待冷却装置100的输出端连通，回热器60的冷端输出口与储气装置10的进气端连通。
[0065] 值得一提的是，由于气相载冷剂的密度小于液相载冷剂的密度，在气液分离器50内，气相载冷剂会上升到气液分离器50的上层，而液相载冷剂则处于气液分离器50的下层。因此，本实施例中，参考图1，第一供冷管道41可与气液分离器50的上端连通，第二供冷管道
42可与气液分离器50的下端连通。如此，可以方便分别输送气相载冷剂和液相载冷剂，避免两种冷却介质混合在一起而影响待冷却装置100的性能。
[0066] 为了提升该制冷设备1的制冷精确性，在一实施例中，制冷机40与气液分离器50之间的管道上可设有温度传感器，以用于检测制冷机40的输出端输出载冷剂的温度。
[0067] 本实施例中，制冷系统可根据温度传感器实时检测的供冷温度，再及时地调整制冷机40的制冷温度，以使气相载冷剂或液相载冷剂的温度达到较佳值，以满足不同应用场景的需求。
[0068] 为了实现根据应用场合的不同需求，自主选择供冷状态，解决载冷剂对使用环境造成干扰或引起使用环境不稳定的问题，并实现载冷剂回收存储和循环利用，本发明还提出一种制冷方法，基于上述的制冷设备1，参考图1和图4，该制冷方法包括以下步骤：
[0069] 步骤S10、在获取开启制冷指令时，打开第一阀门或第二阀门。
[0070] 本实施例中，开启制冷指令可至少包括气相供冷指令和液相供冷指令。
[0071] 该步骤S10具体可包括：
[0072] 步骤S11、在获取所述气相供冷指令时，打开所述第一阀门，所述第二阀门维持关闭状态；
[0073] 步骤S12、在获取所述液相供冷指令时，打开所述第二阀门，所述第一阀门维持关闭状态。
[0074] 换言之，若需采用气相供冷，则制冷系统控制第一阀门411打开，以使气相载冷剂通过第一供冷管道41通入至待冷却装置100；若需采用液相供冷，则制冷系统控制第二阀门421打开，以使液相载冷剂通过第二供冷管道42通入至待冷却装置100。
[0075] 步骤S20、启动载冷剂泵，以将储气装置内的载冷剂泵出。
[0076] 本实施例中，载冷剂泵20可为低温泵或常规泵，此处不限。
[0077] 步骤S30、启动预冷机，以对所述载冷剂进行预冷却。
[0078] 本实施例中，预冷机30可采用热电制冷或其它原理形式的制冷装置，非热声原理的制冷装置，预冷机30的冷端提供冷量以预冷却载冷剂。如此，可以进一步地提升制冷效率和效果。
[0079] 步骤S40、启动制冷机，以产生冷量并与所述载冷剂进行热交换而冷却所述载冷剂至目标温度。
[0080] 本实施例中，制冷机40优选为热声制冷机，目标温度可为‑100℃以下，此处不限。
[0081] 步骤S50、控制气液分离器将冷却后的所述载冷剂分离为气相载冷剂和液相载冷剂，并将所述气相载冷剂或所述液相载冷剂通入至待冷却装置，以冷却所述待冷却装置。
[0082] 本实施例中，气液分离器50将流经的载冷剂分离为气相载冷剂和液相载冷剂，由于不同介质的密度不同，气相载冷剂位于气液分离器50的内部上层，液相载冷剂位于气液分离器50的内部下层。
[0083] 步骤S60、控制所述载冷剂回流至所述储气装置中。
[0084] 参考图1，在此过程中，载冷剂的循环流向为：制冷机40的冷端冷盘产生冷量与载冷剂进行热交换，载冷剂降温后进入气液分离器50，气液分离器50将载冷剂分离为气相载冷剂和液相载冷剂，气相载冷剂通过第一供冷管道41或液相载冷剂通过第二供冷管道42进入应用场合，冷却相应的用冷对象，然后载冷剂在应用场合中吸热后回流至储气装置10，再在低温泵驱动下进入预冷机30的冷端被预冷，再进入至制冷机40的冷盘，如此循环往复。
[0085] 步骤S70、在获取关闭制冷指令时，依次关闭所述制冷机、所述预冷机、所述第一阀门或所述第二阀门、所述载冷剂泵。
[0086] 至此，制冷系统接收用户的关机指令，结束制冷工作。其中，系统关闭第一阀门411和第二阀门421中处于打开状态的一个，也即当采用气相供冷时，则关闭第一阀门411，当采用液相供冷时，则关闭第二阀门421。
[0087] 参考图2和图3，在一些其他实施例中，当采用常规泵和回热器替代低温泵时，在所述启动预冷机，以对所述载冷剂进行预冷却的步骤S30之后，还包括：
[0088] 步骤S31、将所述载冷剂通入至回热器的热端，以对所述载冷剂进行二次预冷。
[0089] 在制冷机40制冷之前，通过回热器60对载冷剂再次进行预冷却处理，能够进一步地提高该制冷设备1的制冷效果和效果。
[0090] 所述控制所述载冷剂回流至所述储气装置中的步骤S60，具体包括：
[0091] 步骤S61、将自所述待冷却装置流出的载冷剂通入至所述回热器的冷端，以对所述载冷剂进行加热处理，并使所述载冷剂流入至所述储气装置中。
[0092] 在载冷剂回流至储气装置10之前，载冷剂在回流器的冷端吸热，再流入至储气装置10中，以便于常规泵将储气装置10中载冷剂泵出至预冷机30。
[0093] 参考图2，在此过程中，载冷剂的循环流向为：制冷机40的冷端冷盘产生冷量与载冷剂进行热交换，载冷剂降温后进入气液分离器50，气液分离器50将载冷剂分离为气相载冷剂和液相载冷剂，气相载冷剂通过第一供冷管道41或者液相载冷剂通过第二供冷管道42进入应用场合中，冷却相应的用冷对象，气相载冷剂或液相载冷剂在应用环境中吸热后回流至回热器60的冷端吸热，再经回热器60的冷端吸热后进入至储气装置10，再通过常规泵输送至预冷机30的冷端被预冷却，之后进入回热器60的热端放热进行二次预冷却，最后再进入制冷机40的冷盘，如此循环往复。
[0094] 以上所述仅为本发明的可选实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是在本发明的发明构思下，利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构变换，或直接/间接运用在其他相关的技术领域均包括在本发明的专利保护范围内。
