[發(fā)明專利]常壓封閉氦氣吸附式低溫?zé)衢_關(guān)

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201210009802.X
• 申請日: 2012-01-13
• 公開（公告）號: CN102563993A
• 公開（公告）日: 2012-07-11
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 蘇少奎;周玉榮;樊潔;劉瑞元;宋小會;張殿琳
• 申請（專利權(quán)）人: 中國科學(xué)院物理研究所
• 主分類號: F25B49/00
• 分類號: F25B49/00
• 代理公司: 北京和信華成知識產(chǎn)權(quán)代理事務(wù)所(普通合伙) 11390
• 代理人: 胡劍輝

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及一種低溫工程用熱開關(guān)，特別涉及制冷機二級與控溫臺傳熱的熱開關(guān)。

背景技術(shù)

在低溫技術(shù)中，經(jīng)常需要控溫臺可以從4K到300K，甚至是400K連續(xù)控溫。要實現(xiàn)控溫臺冷到4K，就需要控溫臺與冷源有很好的熱連接；但要將控溫臺升到高溫時，又需要控溫臺與冷源熱連接很差，這樣才可以既可以以較小的加熱功率就將控溫臺升到室溫，同時，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，從而使無液氦制冷系統(tǒng)得到人們的青睞。

但是，無液氦制冷機的缺陷在于其冷頭和控溫臺都處于真空中，這給他們之間的熱傳導(dǎo)帶來很大困難。如果控溫臺和冷頭熱導(dǎo)很好，控溫臺很容易到達4K溫度，但是，要將控溫臺控制在稍高溫度時，冷頭因熱負載過大而溫度上升，于是，制冷機冷卻的超導(dǎo)磁體便無法工作了。如果控溫臺和制冷機的冷頭熱導(dǎo)比較差，則控溫臺無法到達比較低的溫度。所以，無液氦制冷機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，一個是高熱導(dǎo)的，用于低溫區(qū)，一個是低熱導(dǎo)的，用于高溫區(qū)。這種方法需要安裝兩次控溫臺，不僅操作不便，最重要的缺陷是帶來溫度變化的不連續(xù)。

還有常用的方法是使用氦氣吸附式熱開關(guān)。一般是利用活性炭等材料吸附或放出氦氣來改變冷熱端之間的熱導(dǎo)。可以連續(xù)的從室溫到4K的控溫。它的缺點是，因氦氣熱導(dǎo)相對較小，所以，一旦控溫臺的熱負載較大(如有室溫連接的樣品桿、帶光學(xué)窗口的系統(tǒng)等等)控溫臺的最低溫就會無法到達4K以下了。

發(fā)明內(nèi)容

針對現(xiàn)有技術(shù)存在的問題，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_關(guān)，能夠?qū)崿F(xiàn)低溫下有較大的熱導(dǎo)率，并且操作簡易安全。

為實現(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_關(guān)包括：

儲藏室，用于儲存預(yù)定壓力的氦氣；

制冷單元，該制冷單元具有一級冷屏、二級冷屏和位于一級冷屏和二級冷屏之間的吸附室，所述儲藏室通過毛細管與吸附室相導(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，所述吸附室通過導(dǎo)管與冷端柱相連，所述冷端柱和熱端柱之間具有適當?shù)拈g隙。

所述儲藏室與所述毛細管之間設(shè)置有控制氦氣流量的閥門。

優(yōu)選地，所述儲藏室儲存有1個大氣壓的氦氣。

優(yōu)選地，所述吸附室設(shè)置在一個熱屏蔽罩內(nèi)。

優(yōu)選地，所述間隙為20±10微米。

優(yōu)選地，所述冷端柱與熱端柱的長度比為4～7∶1。

優(yōu)選地，所述冷端柱與熱端柱的長度比為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。

本發(fā)明熱開關(guān)在“開”的狀態(tài)時，能夠保證有液氦存留在熱開關(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易的；此外，本發(fā)明熱開關(guān)能夠保證絕熱間隙在2～300K溫區(qū)一直是適合的。

附圖說明

圖1為本發(fā)明結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2為熱導(dǎo)、二級溫度與控溫臺溫度的關(guān)系；

圖3為熱開關(guān)“開”“關(guān)”兩個態(tài)的降溫速度比較。

1--儲藏室、2--吸附室、3--熱開關(guān)外殼、4--熱開關(guān)冷端柱、5--控溫臺、6--脈沖管制冷機的一級冷屏、7--脈沖管制冷機的二級冷屏、8--冷、熱端面間隙、9--熱開關(guān)熱端柱、10--閥門、11--吸附室的防輻射屏蔽罩、12--熱開關(guān)本體、13--制冷單元、14--毛細管、15--不銹鋼管

具體實施方式

下面結(jié)合附圖一和具體實施方式來進一步說明。

如圖1所示，本發(fā)明包括：熱開關(guān)本體12、儲藏室1和制冷單元(即制冷機)13，儲藏室1置于室溫環(huán)境，內(nèi)充有一個大氣壓的氦氣。制冷機13具有一級冷屏6、二級冷屏7和位于一級冷屏6和二級冷屏7之間的吸附室2。儲藏室1通過毛細管14與吸附室2導(dǎo)通。吸附室2內(nèi)部放有活性炭，熱開關(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通過不銹鋼管1?5與熱開關(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?shù)拈g隙。熱端柱9接控溫臺5，懸空，可以接熱負載或待測樣品。