專利名稱：常壓封閉氦氣吸附式低溫?zé)衢_(kāi)關(guān)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種低溫工程用熱開(kāi)關(guān)，特別涉及制冷機(jī)二級(jí)與控溫臺(tái)傳熱的熱開(kāi)關(guān)。
背景技術(shù)：
在低溫技術(shù)中，經(jīng)常需要控溫臺(tái)可以從4K到300K，甚至是400K連續(xù)控溫。要實(shí)現(xiàn)控溫臺(tái)冷到4K，就需要控溫臺(tái)與冷源有很好的熱連接；但要將控溫臺(tái)升到高溫時(shí)，又需要控溫臺(tái)與冷源熱連接很差，這樣才可以既可以以較小的加熱功率就將控溫臺(tái)升到室溫，同時(shí)，也不影響冷源的溫度。使用液氦作為制冷源的控溫系統(tǒng)，通過(guò)控制氦氣的流量和加熱功率很容易的在2 400K范圍內(nèi)控溫，也不影響液氦的溫度，從而不影響通過(guò)液氦保持超導(dǎo)態(tài)的超導(dǎo)磁體的使用。但是，由于液氦的短缺和操作上的不便，從而使無(wú)液氦制冷系統(tǒng)得到人們的青睞。但是，無(wú)液氦制冷機(jī)的缺陷在于其冷頭和控溫臺(tái)都處于真空中，這給他們之間的熱傳導(dǎo)帶來(lái)很大困難。如果控溫臺(tái)和冷頭熱導(dǎo)很好，控溫臺(tái)很容易到達(dá)4K溫度，但是，要將控溫臺(tái)控制在稍高溫度時(shí)，冷頭因熱負(fù)載過(guò)大而溫度上升，于是，制冷機(jī)冷卻的超導(dǎo)磁體便無(wú)法工作了。如果控溫臺(tái)和制冷機(jī)的冷頭熱導(dǎo)比較差，則控溫臺(tái)無(wú)法到達(dá)比較低的溫度。所以，無(wú)液氦制冷機(jī)需要一套在低溫下熱導(dǎo)好，高溫下熱導(dǎo)差的導(dǎo)熱系統(tǒng)。一種方法是制作兩根導(dǎo)熱桿，一個(gè)是高熱導(dǎo)的，用于低溫區(qū)，一個(gè)是低熱導(dǎo)的，用于高溫區(qū)。這種方法需要安裝兩次控溫臺(tái)，不僅操作不便，最重要的缺陷是帶來(lái)溫度變化的不連續(xù)。還有常用的方法是使用氦氣吸附式熱開(kāi)關(guān)。一般是利用活性炭等材料吸附或放出氦氣來(lái)改變冷熱端之間的熱導(dǎo)?？梢赃B續(xù)的從室溫到4K的控溫。它的缺點(diǎn)是，因氦氣熱導(dǎo)相對(duì)較小，所以，一旦控溫臺(tái)的熱負(fù)載較大(如有室溫連接的樣品桿、帶光學(xué)窗口的系統(tǒng)等等)控溫臺(tái)的最低溫就會(huì)無(wú)法到達(dá)4K以下了。

發(fā)明內(nèi)容
針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)存在的問(wèn)題，本發(fā)明的目的在于提供一種常壓封閉氦氣吸附式低溫?zé)衢_(kāi)關(guān)，能夠?qū)崿F(xiàn)低溫下有較大的熱導(dǎo)率，并且操作簡(jiǎn)易安全。為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供的一種常壓氦氣吸附式低溫?zé)衢_(kāi)關(guān)包括儲(chǔ)藏室，用于儲(chǔ)存預(yù)定壓力的氦氣；制冷單元，該制冷單元具有一級(jí)冷屏、二級(jí)冷屏和位于一級(jí)冷屏和二級(jí)冷屏之間的吸附室，所述儲(chǔ)藏室通過(guò)毛細(xì)管與吸附室相導(dǎo)通，所述吸附室內(nèi)放置有活性炭，在所述吸附室上還設(shè)置有所述吸附室內(nèi)溫度的溫控裝置；熱開(kāi)關(guān)本體，具有外殼和套設(shè)在外殼內(nèi)的冷端柱和熱端柱，所述吸附室通過(guò)導(dǎo)管與冷端柱相連，所述冷端柱和熱端柱之間具有適當(dāng)?shù)拈g隙。所述儲(chǔ)藏室與所述毛細(xì)管之間設(shè)置有控制氦氣流量的閥門(mén)。
優(yōu)選地，所述儲(chǔ)藏室儲(chǔ)存有1個(gè)大氣壓的氦氣。優(yōu)選地，所述吸附室設(shè)置在一個(gè)熱屏蔽罩內(nèi)。優(yōu)選地，所述間隙為20士 10微米。優(yōu)選地，所述冷端柱與熱端柱的長(zhǎng)度比為4 7 1。優(yōu)選地，所述冷端柱與熱端柱的長(zhǎng)度比為6 1。優(yōu)選地，所述冷端柱和熱端柱的材料為紫銅。優(yōu)選地，所述外殼為不銹鋼材料。優(yōu)選地，所述溫控裝置包括加熱器和溫度計(jì)。本發(fā)明熱開(kāi)關(guān)在“開(kāi)”的狀態(tài)時(shí)，能夠保證有液氦存留在熱開(kāi)關(guān)本體內(nèi)，并且，由于用于熱交換的媒質(zhì)——氦氣——是處在常壓下的并且是封閉的，所以是安全而且操作簡(jiǎn)易的；此外，本發(fā)明熱開(kāi)關(guān)能夠保證絕熱間隙在2 300K溫區(qū)一直是適合的。


圖1為本發(fā)明結(jié)構(gòu)示意圖；圖2為熱導(dǎo)、二級(jí)溫度與控溫臺(tái)溫度的關(guān)系；圖3為熱開(kāi)關(guān)“開(kāi)” “關(guān)”兩個(gè)態(tài)的降溫速度比較。1-儲(chǔ)藏室、2—吸附室、3—熱開(kāi)關(guān)外殼、4一熱開(kāi)關(guān)冷端柱、5—控溫臺(tái)、6—脈沖管制冷機(jī)的一級(jí)冷屏、7—脈沖管制冷機(jī)的二級(jí)冷屏、8—冷、熱端面間隙、9一熱開(kāi)關(guān)熱端柱、10-閥門(mén)、11-吸附室的防輻射屏蔽罩、12-熱開(kāi)關(guān)本體、13-制冷單元、14-毛細(xì)管、 15—不銹鋼管
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合附圖一和具體實(shí)施方式
來(lái)進(jìn)一步說(shuō)明。如圖1所示，本發(fā)明包括熱開(kāi)關(guān)本體12、儲(chǔ)藏室1和制冷單元(即制冷機(jī))13，儲(chǔ)藏室1置于室溫環(huán)境，內(nèi)充有一個(gè)大氣壓的氦氣。制冷機(jī)13具有一級(jí)冷屏6、二級(jí)冷屏7和位于一級(jí)冷屏6和二級(jí)冷屏7之間的吸附室2。儲(chǔ)藏室1通過(guò)毛細(xì)管14與吸附室2導(dǎo)通。 吸附室2內(nèi)部放有活性炭，熱開(kāi)關(guān)本體12具有外殼3和套設(shè)在外殼3內(nèi)的冷端柱4和熱端柱9，吸附室2通過(guò)不銹鋼管1 5與熱開(kāi)關(guān)本體12的冷端柱4相連，冷端柱4和熱端柱9之間具有適當(dāng)?shù)拈g隙。熱端柱9接控溫臺(tái)5，懸空，可以接熱負(fù)載或待測(cè)樣品。另外，在儲(chǔ)藏室1和毛細(xì)管14之間設(shè)置有一個(gè)閥門(mén)10，用來(lái)控制進(jìn)入熱開(kāi)關(guān)本體 12的氦氣量。毛細(xì)管14進(jìn)入制冷機(jī)13內(nèi)部，用環(huán)氧密封毛細(xì)管壁和制冷機(jī)13間的縫隙。 毛細(xì)管14在一級(jí)冷屏6處可做熱沉處理，而后毛細(xì)管14進(jìn)入處在低溫環(huán)境下的吸附室2。 吸附室2上裝有溫度計(jì)和加熱器，用以控制吸附室2的溫度。吸附室2外部罩設(shè)有一個(gè)熱屏蔽罩11，該熱屏蔽罩11由高熱導(dǎo)材料制作。熱屏蔽罩11與制冷機(jī)二級(jí)冷屏7有較好熱導(dǎo)，但是不與吸附室2有熱的連接，目的是減少周圍對(duì)吸附室2的輻射熱。本發(fā)明將儲(chǔ)藏室1至于室溫環(huán)境，且儲(chǔ)藏室1的體積與低溫部分體積(主要是指吸附室的體積，但是還包括熱開(kāi)關(guān)本體12及毛細(xì)管14的體積)在相同溫度下，有較大體積比。這樣，當(dāng)熱開(kāi)關(guān)本體12處于低溫時(shí)，能有足夠的壓力以保證液氦沸點(diǎn)不低于3K。這樣， 就可以在熱開(kāi)關(guān)本體12內(nèi)部存留液氦，而液氦的對(duì)流、沸騰是其熱導(dǎo)率很高的原因。此外，
4熱開(kāi)關(guān)本體12內(nèi)部的導(dǎo)熱體(即冷端柱)采用高導(dǎo)熱率的材料紫銅，以保證冷端柱4和熱端柱9的熱阻只由他們之間的間隙8決定。熱開(kāi)關(guān)本體12的外殼選擇熱導(dǎo)率差而硬度強(qiáng)的材料，例如不銹鋼，用于減少多余的熱導(dǎo)和提供支撐。并且，冷端柱4與熱端柱9的間隙為20微米，可以通過(guò)精細(xì)螺紋精確控制。另外，冷端柱4和熱端柱9的長(zhǎng)度比要大，也就是冷端要長(zhǎng)，可以是4 7 1，當(dāng)然，最好是在6 1附近，目的是當(dāng)熱端柱9溫度很高時(shí)，絕熱間隙不會(huì)減少很多。這樣，控溫端就能夠保證從4K到300K連續(xù)變溫。而冷熱端面采用柱面式，這樣加工エ藝簡(jiǎn)単，也便于絕熱間隙的控制。下面通過(guò)具體實(shí)例來(lái)對(duì)本發(fā)明做進(jìn)ー步說(shuō)明。儲(chǔ)藏室1放置于室溫環(huán)境，內(nèi)有ー個(gè)大氣壓的氦氣。閥門(mén)10打開(kāi)狀態(tài)吋，儲(chǔ)藏室1 的氦氣可以通過(guò)毛細(xì)管14自由的進(jìn)出吸附室2和熱開(kāi)關(guān)本體12。吸附室2材料為紫銅，通過(guò)ー長(zhǎng)約6厘米的Φ 3X0. 5的不銹鋼管與冷端柱4連接。吸附室2外圍有ー熱屏蔽罩11， 熱屏蔽罩11材料為紫銅，直接安裝在ニ級(jí)冷屏7上，不與吸附室2接觸。吸附室2內(nèi)部裝有活性炭11克，外表面裝有溫度計(jì)、加熱器。熱開(kāi)關(guān)本體12的外殼直接固定在ニ級(jí)冷屏7 上，熱開(kāi)關(guān)本體12內(nèi)部冷、熱端柱材料為紫銅，且表面鍍金，冷端柱4長(zhǎng)60mm，熱端柱9長(zhǎng) IOmm,直徑均為10mm，外殼3為Φ 12. 8X0. 3的304不銹鋼。冷端柱4和熱端柱9與不銹鋼外殼3接觸部分均為精細(xì)螺紋結(jié)構(gòu)，因而可以保證冷端柱4和熱端柱9端面間距在室溫時(shí)為20微米。熱端柱9與控溫臺(tái)5是一體的，控溫臺(tái)5懸空，可以接負(fù)載。整個(gè)熱開(kāi)關(guān)系統(tǒng)是封閉的，漏率小于KT9Pa いS。在不運(yùn)行吋，閥門(mén)10處于開(kāi)著的狀態(tài)，隨著溫度的降低，氦氣逐漸被活性炭吸附， 等到吸附室2達(dá)到IOK以下時(shí)，關(guān)閉閥門(mén)10。將吸附室2升溫至40Κ，此時(shí)，氦氣從吸附室 2出來(lái)，此為熱開(kāi)關(guān)“開(kāi)”的狀態(tài)。ニ級(jí)的溫度為2. 8Κ，所以，會(huì)形成液氦存在熱開(kāi)關(guān)本體12 內(nèi)部，因而有很高的熱導(dǎo)率。如圖2、3所示，通過(guò)溫度和熱導(dǎo)曲線，可以清楚的看到，在沸點(diǎn)附近，熱導(dǎo)最高，可達(dá)0. 3W/K ；冷卻吸附室2，可以達(dá)到6Κ，此時(shí)，氦氣被活性炭吸附，因而熱開(kāi)關(guān)內(nèi)部是真空態(tài)，熱導(dǎo)很差。此為熱開(kāi)關(guān)“關(guān)”的狀態(tài)?？梢暂p松的控溫300Κ，而ニ級(jí)的溫度還低于4.漲。附圖ニ是具體實(shí)施方案的。盡管上文對(duì)本發(fā)明的具體實(shí)施方式
通過(guò)實(shí)例進(jìn)行了詳細(xì)的描述和說(shuō)明，但應(yīng)該指明的是，本領(lǐng)域的技術(shù)人員可以對(duì)上述實(shí)施方式進(jìn)行各種改變和修改，但這些都不脫離本發(fā)明的精神和權(quán)利要求所記載的范圍。
權(quán)利要求
1.一種常壓氦氣吸附式低溫?zé)衢_(kāi)關(guān)，其特征在于，包括 儲(chǔ)藏室，用于儲(chǔ)存預(yù)定壓力的氦氣；制冷單元，該制冷單元具有一級(jí)冷屏、二級(jí)冷屏和位于一級(jí)冷屏和二級(jí)冷屏之間的吸附室，所述儲(chǔ)藏室通過(guò)毛細(xì)管與吸附室相導(dǎo)通，所述吸附室內(nèi)放置有活性炭，在所述吸附室上還設(shè)置有所述吸附室內(nèi)溫度的溫控裝置；熱開(kāi)關(guān)本體，具有外殼和套設(shè)在外殼內(nèi)的冷端柱和熱端柱，所述吸附室通過(guò)導(dǎo)管與冷端柱相連，所述冷端柱和熱端柱之間具有適當(dāng)?shù)拈g隙。
2.如權(quán)利要求1所述的熱開(kāi)關(guān)，其特征在于，所述儲(chǔ)藏室與所述毛細(xì)管之間設(shè)置有控制氦氣流量的閥門(mén)。
3.如權(quán)利要求2所述的熱開(kāi)關(guān)，其特征在于，所述儲(chǔ)藏室儲(chǔ)存有1個(gè)大氣壓的氦氣。
4.如權(quán)利要求1所述的熱開(kāi)關(guān)，其特征在于，所述吸附室設(shè)置在一個(gè)熱屏蔽罩內(nèi)。
5.如權(quán)利要求1所述的熱開(kāi)關(guān)，其特征在于，所述間隙為20士10微米。
6.如權(quán)利要求1所述的熱開(kāi)關(guān)，其特征在于，所述冷端柱與熱端柱的長(zhǎng)度比為4 7 L·
7.如權(quán)利要求6所述的熱開(kāi)關(guān)，其特征在于，所述冷端柱與熱端柱的長(zhǎng)度比為6 1。
8.如權(quán)利要求1至7任一所述的熱開(kāi)關(guān)，其特征在于，所述冷端柱和熱端柱的材料為紫銅。
9.如權(quán)利要求1所述的熱開(kāi)關(guān)，其特征在于，所述外殼為不銹鋼材料。
10.如權(quán)利要求1所述的熱開(kāi)關(guān)，其特征在于，所述溫控裝置包括加熱器和溫度計(jì)。
全文摘要
本發(fā)明公開(kāi)了一種常壓氦氣吸附式低溫?zé)衢_(kāi)關(guān)，包括儲(chǔ)藏室，用于儲(chǔ)存預(yù)定壓力的氦氣；制冷單元，該制冷單元具有一級(jí)冷屏、二級(jí)冷屏和位于一級(jí)冷屏和二級(jí)冷屏之間的吸附室，所述儲(chǔ)藏室通過(guò)毛細(xì)管與吸附室相導(dǎo)通，所述吸附室內(nèi)放置有活性炭，在所述吸附室上還設(shè)置有所述吸附室內(nèi)溫度的溫控裝置；熱開(kāi)關(guān)本體，具有外殼和套設(shè)在外殼內(nèi)的冷端柱和熱端柱，所述吸附室通過(guò)導(dǎo)管與冷端柱相連，所述冷端柱和熱端柱之間具有適當(dāng)?shù)拈g隙。本發(fā)明熱開(kāi)關(guān)在“開(kāi)”的狀態(tài)時(shí)，能夠保證有液氦存留在熱開(kāi)關(guān)本體內(nèi)，并且，由于用于熱交換的媒質(zhì)——氦氣——是處在常壓下的并且是封閉的，所以是安全而且操作簡(jiǎn)易的；此外，本發(fā)明熱開(kāi)關(guān)能夠保證絕熱間隙在2～300K溫區(qū)一直是適合的。
文檔編號(hào)F25B49/00GK102563993SQ20121000980
公開(kāi)日2012年7月11日 申請(qǐng)日期2012年1月13日 優(yōu)先權(quán)日2012年1月13日
發(fā)明者劉瑞元, 周玉榮, 宋小會(huì), 張殿琳, 樊潔, 蘇少奎 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院物理研究所