CN102288065B - 热开关及采用这种热开关的测量装置 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种热开关，包括容纳有导热气体的密闭的容器(1)，该容器的一端为冷端导热块(2)，另一端为热端导热块(3)，其特征是，该容器(1)内还设有吸附器，该吸附器包括吸附器腔体(4)、装于该吸附器腔体内用于吸附该导热气体的吸附剂(5)和加热在该吸附器腔体内的吸附剂(5)的加热机构，在该吸附器腔体(4)上设有用于该导热气体进出该吸附器腔体的通气孔(7)。本发明主要用于控制测量时热量传递的导通与断开，与传统的热开关相比，其利用吸附剂吸附导热气体来使容器(1)内达到高真空状态，故本发明的热开关中无运动部件，结构简单，从而提高热开关的效率。本发明还提供一种用于待测样品的热物性测量的测量装置，它包括上述热开关和测量容纳在样品室内的待测样品的测量机构。
Description
技术领域
本发明涉及热开关，尤其涉及用于低温下测量的热开关，例如用于低温下进行比热测量的热开关。
背景技术
在低温应用领域中经常需要使同一部件在不同时候处于热连接与热隔断两种完全不同的状态。例如，在低温下利用真空绝热法对待测样品进行热物性测量如比热测量时，在进行测量的整个过程中样品室要有足够好的绝热性能，但又必须采取措施保证在短时间内能把待测样品冷却到测量温区的最低温度以下，换句话说，待测样品在冷却与测量这两个过程中需要两种完全不同的环境，即冷却时需要有热量传递以便将待测样品冷却，而测量时需要对待测样品真空绝热。这种热量传递的导通与断开主要是通过热开关实现的。又例如，在太空探测器中，为了提高整个制冷系统的可靠性和寿命，通常设置多台制冷机对同一冷却平台输出冷量。在正常工况下，使用其中的一台制冷机作为主机，其他制冷机作为备份机。当主机出现故障时，使用备份机来制冷。为避免备份机与冷却平台热连接而消耗冷却平台冷量，在每个制冷机和冷却平台之间设置一个热开关，让热开关分别处于导通和断开状态来实现制冷机与冷却平台的热连接和热断开。
目前常用的热开关有机械式热开关、气隙式热开关、形状记忆合金热开关、微膨胀型低温热开关等，其中：机械式热开关的结构复杂而且笨重，操作麻烦，需要较大的驱动力，接触热阻较大，而且开关在运作时会由于摩擦和振动造成样品升温；气隙式热开关对制造工艺水平要求较高，同时该热开关控制系统比较复杂；形状记忆合金热开关，通过记忆合金感应温度变化来产生形状变化，从而驱动导热块与冷源接触与断开，这种热开关材料要求严格对称，加工精度要求很高，否则会导致热开关性能不稳定；微膨胀型低温热开关，主要利用两种不同材料的膨胀收缩率不同，从而实现热开关的导通与断开功能，它的缺点在于两种材料的热效应差异有限，使得开关比过小；热管式开关当温度较低时工作气体凝结成固体，热管停止工作，此时热开关断开，通常这种热开关反应时间较长，且加工较复杂。
还有一种结构简单的热交换气体开关，它通过向样品室内充气抽气来实现热开关的导通与断开，其主要的缺点是在低温下很难将气体抽干净而效率较低。
发明内容
因此，本发明的目的是提供一种结构简单且效率较高的热开关。
上述目的可以通过以下的技术方案来实现，本发明提供一种热开关，包括容纳有导热气体的密闭的容器，该容器的一端为冷端导热块，另一端为热端导热块，其中，在该容器内设有吸附器，该吸附器包括吸附器腔体、装于该吸附器腔体内且吸附该导热气体的吸附剂和加热该吸附器腔体内的吸附剂的加热机构，在该吸附器腔体上设有用于该导热气体进出该吸附器腔体的通气孔。
在一个优选实施方式中规定，加热机构包括缠绕在吸附器腔体的侧壁上的加热丝，加热丝产生的热量通过吸附器腔体被传给吸附剂。此外，吸附器还包括连接吸附器和该容器的冷端导热块的吸附器连接件，用于将吸附器固定在所述容器内。在上述实施例中，通气孔可以是开设在所述吸附器腔体上的侧壁和底壁上的多个孔。而且，所述吸附剂优选是活性炭、分子筛或沸石，导热气体优选是氦气、氖气、氩气或氮气。
本发明还提供一种用于待测样品的热物性测量的测量装置，包括根据本发明的热开关和测量容纳在所述容器内的待测样品的测量机构，该测量机构例如可以是比热测量机构或热导率测量机构等。
本发明的有益效果是：与传统的热交换气体开关相比，本发明根据吸附剂随温度的降低而其吸附量增大的原理，用吸附剂来吸附导热气体。当由于吸附剂对导热气体的吸附而使容器内达到高真空状态时，热开关处于断开状态。而且通过对加热机构的加热量的控制可以控制吸附剂对导热气体的吸附量，从而可以控制热开关的导通或断开。由于是利用吸附剂吸附导热气体来使容器内达到高真空状态的，故本发明的热开关中无运动部件，结构简单，从而提高热开关的效率。
附图说明
以下，结合附图来详细说明本发明的实施例，其中：
图1是本发明热开关的实施例的结构示意图；
图2是使用根据本发明热开关的实施例的测量装置示意图。
附图标记一览表
1、容器；2、冷端导热块；3、热端导热块；4、吸附器腔体；5、吸附剂；6、加热丝；7、通气孔；8、吸附器连接件；9、制冷机；10、高导热传热部件。
具体实施方式
图1是本发明热开关的实施例的结构示意图。如图1所示，密闭的容器1内容纳有一定量的导热气体，该导热气体可以是氦气、氖气、氩气或氮气等。容器1的一端是冷端导热块2，另一端是热端导热块3，该冷端导热块2和热端导热块3都是由热导率大于120W/m·K的高热导率材料制成的，例如紫铜、金或银等。在容器1内还设有吸附器，该吸附器包括吸附器腔体4、吸附剂5和加热机构，在图示实施例中，加热机构为加热丝6。吸附剂5装在吸附器腔体4内用于吸附导热气体，吸附剂5可以是活性炭、分子筛、沸石或其它吸附性物质。加热丝6缠绕在吸附器腔体4的侧壁上，加热丝6所产生的热量通过吸附器腔体4被传递给吸附剂5，用于加热吸附器腔体4内的吸附剂5。在吸附器腔体4上设有用于导热气体进出吸附器腔体4的通气孔7，多个通气孔7开设在吸附器腔体的侧壁和底壁上。吸附器还包括连接吸附器和冷端导热块2的吸附器连接件8，其用于将吸附器固定在容器1内。容器1的侧壁和吸附器连接件8是由热导率小于30W/m·K的低热导率材料制成的，例如不锈钢。
图1所示的热开关的工作过程如下：根据吸附剂随温度的降低而其吸附量增大的原理，通过控制加热丝6对吸附器腔体4内的吸附剂5进行加热，可以控制吸附剂5对导热气体的吸附量，因此可以调节容器1内的导热气体量。当容器1内充满导热气体时，冷端导热块2和热端导热块3之间可以通过导热气体进行热传递，此时热开关处于导通状态。当由于吸附剂5的吸附而在容器1内达到高真空状态时，冷端导热块2和热端导热块3之间几乎不能通过导热气体进行热量传递，此时热开关处于断开状态。
图2是使用根据本发明热开关的实施例的测量装置的示意图，如图所示，该热物性测量装置包括上述的热开关和测量容纳在容器内的待测样品的测量机构，该测量机构例如可以是比热测量机构或热导率测量机构等。待测样品直接装在本发明热开关的容器里面，且待测样品不与容器的热端导热块接触，优选的是待测样品悬空在容器里面。冷端导热块与冷源相连，冷源通过冷端导热块和导热气体将冷量传递给待测样品，降低待测样品的温度到测量温度。
图2所示的测量装置的具体的工作过程如下：本发明运行的冷源由制冷机9提供，制冷机9的冷量通过高导热传热部件10传递给热开关的冷端导热块。先启动制冷机9，冷却过程开始后，热开关开始工作，容器1内的导热气体处于流动状态。由于气体是良好的传热媒介，通过导热气体的导热传热及对流传热使得冷端导热块2的冷量快速传递给待测样品，使待待测样品降温。随着降温过程的进行，吸附剂的温度也同时降低，使得吸附剂不断吸附导热气体，使降温速度减慢。此时通过启动加热丝对吸附剂加热，可以维持容器1内一定的导热气体量，从而加快降温过程。当待测样品降低到最低温度时，停止对吸附剂的加热。随后，随着吸附剂温度的不断降低，吸附剂所吸附的导热气体的量越来越大，最终把导热气体完全吸附掉，此时热开关处于断开状态，使得容器内处于高真空状态，就可以对待测样品进行热物性测量了。
虽然已经描述了本发明的优选实施例，但本发明显然不应局限于上述的实施例和附图所示内容。因此，在不超出本申请范围的前提下，本领域技术人员完全可以根据上述技术内容和技术教导对本发明所描述的各单独特征或特征组合进行修改和改动。
Claims (10)
1.一种热开关，包括容纳有导热气体的密闭的容器(1)，该容器的一端为冷端导热块(2)，另一端为热端导热块(3)，其特征是，该容器(1)内设有吸附器，该吸附器包括吸附器腔体(4)、装于该吸附器腔体内且吸附该导热气体的吸附剂(5)和加热该吸附器腔体内的吸附剂(5)的加热机构，在该吸附器腔体(4)上设有用于该导热气体进出该吸附器腔体的通气孔(7)；且所述吸附剂随温度的降低而其吸附量增大。
2.根据权利要求1的热开关，其特征是，所述加热机构包括缠绕在所述吸附器腔体(4)的侧壁上的加热丝(6)，该加热丝所产生的热量通过所述吸附器腔体被传递给所述吸附剂(5)。
3.根据权利要求1的热开关，其特征是，所述吸附器还包括连接所述吸附器和所述容器的冷端导热块(2)的吸附器连接件(8)，用于将所述吸附器固定在所述容器(1)内。
4.根据权利要求2的热开关，其特征是，所述通气孔(7)是开设在所述吸附器腔体(4)上的侧壁和底壁上的多个孔。
5.根据权利要求1至4中任一项的热开关，其特征是，所述吸附剂(5)是活性炭、分子筛或沸石。
6.根据权利要求5的热开关，其特征是，所述导热气体是氦气、氖气、氩气或氮气。
7.根据权利要求5的热开关，其特征是，所述冷端导热块(2)和所述热端导热块(3)由热导率大于120W/m·K的高热导率材料制成。
8.根据权利要求3所述的热开关，所述容器(1)的侧壁和所述吸附器连接件(8)由热导率小于30W/m·K的低热导率材料制成。
9.一种用于待测样品的热物性测量的测量装置，其特征是，包括根据权利要求1至8中任一项所述的热开关和测量容纳在所述容器(1)内的待测样品的测量机构。
10.根据权利要求9的测量装置，其特征是，所述容器的冷端导热块(2)与冷源相连，该冷源通过所述冷端导热块(2)和所述导热气体将冷量传递给所述待测样品，降低所述待测样品的温度到测量温度。
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