CN102288634B - 热物性测量装置 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及热物性测量装置，包括：制冷机(2)，其为待测样品提供冷量以将待测样品的温度降低到测量温度；密闭的真空腔(1)，其为测量提供真空绝热环境，其特征在于，还包括容纳待测样品的密闭的样品室(8)；样品架插入管(6)，该样品架插入管是一端为封闭端而另一端为敞口端的管形件，该封闭端伸入该真空腔(1)内；样品架(7)，其第一端连接该样品室(8)，其第二端与该样品架插入管(6)的敞口端可拆卸地密封接合，相互连接的该样品室(8)和该样品架(7)适于插入到该样品架插入管(6)内。本发明主要用于低温下对待测样品进行热物性测量，与传统的热物性测量装置相比，本发明的热物性测试装置具有样品更换便捷、测试周期短等优点。
Description
技术领域
本发明涉及测量装置，尤其涉及热物性测量装置。
背景技术
材料在低温下具有很多奇妙的物理性能，研究材料在低温下的性能对于基础研究和应用研究具有重要意义。低温宽温区材料的热物性测量装置主要都是使用低温液体如液氦来提供冷源。但是随着氦气资源的紧张，液氦的成本越来越高，在液氦供应困难的地区进行低温测试变得更加困难，而且使用液氦降温慢。近几年，出现了采用制冷机做冷源的热物性测试装置。但是这些以制冷机做冷源的热物性测试装置都是直接把样品安装在制冷机的冷头上。众所周知，在低温热物性测量时样品需要保持在高真空的低温环境中。这种测试装置每次在测试完一个样品后，若要进行下一个样品的测量都需要经过一段繁琐且长时间的换样品过程。首先，必须关闭制冷机使制冷机和样品在真空中复温到室温状态，这段过程大概需要10～12小时；然后破坏真空环境，打开真空罩、卸下一级屏蔽罩，露出样品，更换下一个待测样品；再重新安装好测试装置，重新抽至高真空，这段过程大概需要3～4小时；重新启动制冷机使装置降温至最低温度，这段过程大概需要2～3小时；然后才能开始下一个样品的测量。明显可以看出这种测试装置的缺陷在于：样品更换时间长，操作复杂繁琐，测试周期长。
发明内容
因此，本发明的任务是提供一种样品更换便捷、测试周期短、以制冷机做冷源的热物性测试装置。
上述目的可以通过以下的技术方案来实现，本发明提供一种热物性测量装置，包括：制冷机，其为待测样品提供冷量以将待测样品的温度降低到测量温度；密闭的真空腔，其为测量提供真空绝热环境。在此规定，上述热物性测量装置还包括：容纳待测样品的密闭的样品室，其连接有气体控制机构用于控制对该样品室抽真空和充气；样品架插入管，其连接有气体控制机构用于控制对该样品架插入管抽真空和充气，该样品架插入管是一端为封闭端而另一端为敞口端的管形件，该封闭端伸入该真空腔内；样品架，其第一端连接该样品室，其第二端与该样品架插入管的敞口端可拆卸地密封接合，相互连接的该样品室和该样品架适于插入到该样品架插入管内。
作为上述技术方案的优选方案，在所述样品室内可拆卸地设有带有测量机构的样品杆。所述样品架的第二端和所述样品架插入管的所述敞口端均是法兰结构，两者可拆卸地密封接合。在所述制冷机的冷头和所述样品架插入管之间设有高导热传热部件，用于将冷量传递给所述样品室。
本发明的有益效果是：本发明的热物性测试装置具有独立的样品架，可以在不破坏测试装置的真空腔的真空环境且制冷机不停机的情况下，快速地进行样品的更换。同时，样品室内设置的样品杆是可拆卸的，通过更换不同的样品杆，可以实现热导率、电导率、热膨胀系数和比热等多种热物性的测试，达到多功能测试要求。因此，与传统的以制冷机做冷源的热物性测试装置相比，本发明的热物性测试装置具有样品更换便捷、测试周期短等优点。
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是本发明的热物性测试装置的结构示意图；
图2是本发明的热物性测试装置中的样品架插入管的结构示意图；
图3是本发明的热物性测试装置中的样品架及样品室的结构示意图。
附图标记一览表
1、真空腔；2、制冷机；3、屏蔽罩；4、测温控温装置；5、高导热传热部件；6、样品架插入管；7、样品架；8、样品室；9、样品杆；10、一级冷头；11、二级冷头；12、第一真空阀；13、第一进气调节阀；14、第二真空阀；15、第二进气调节阀。
具体实施方式
图1是本发明的热物性测试装置的结构示意图。如图1所示，本发明的热物性测试装置主要包括真空腔1、制冷机2、屏蔽罩3、测温控温装置4、高导热传热部件5、样品架插入管6、样品架7和样品室8等。密闭的样品室8容纳待测样品，在样品室8内可拆卸地设有带有测量机构的样品杆9，样品杆9所带的可以是不同的测量机构，其分别可以用于热导率、电导率、热膨胀系数和比热等，从而可以通过更换不同的样品杆，就能实现热导率、电导率、热膨胀系数和比热等多种热物性的测试，达到多功能测试的目的。制冷机2的冷头和样品架插入管6之间设有高导热传热部件5，其用于将冷量传递给样品室8。制冷机2通过该样品室8为待测样品提供冷量，从而将待测样品的温度降低到测量温度。密闭的真空腔1容纳样品室8从而为测量提供绝热环境。制冷机2可以是G-M制冷机、脉冲管制冷机或斯特林制冷机，当然，制冷机也可以是多台制冷机并联的制冷机组。
图2和图3分别示出了样品架插入管6的结构和样品架7及样品室8的结构。样品架7连接有样品室8，互相连接的样品架7和样品室8适于插入到样品架插入管6内。样品架插入管6是一端为封闭端而另一端为敞口端的管形件，该封闭端伸入该真空腔1内，样品架插入管6连接有气体控制机构用于控制对该样品架插入管抽真空和充气，在图示实施例中，该气体控制机构包括用于控制抽真空的第一真空阀12和用于控制充气的第一进气调节阀13。密闭的样品室8用于容纳待测样品，样品室连接有气体控制机构用于控制对该样品室8抽真空和充气，在图示实施例中，该气体控制机构包括用于控制抽真空的第二真空阀14和用于控制充气的第二进气调节阀15。当然，与样品室8连接的气体控制机构也可以同时构成与样品架插入管6连接的气体控制机构，也就是说，样品室8和样品架插入管6使用同一个气体控制机构。样品架7的第一端连接样品室8，其第二端与样品架插入管6的敞口端可拆卸地密封接合，相互连接的该样品室8和该样品架7适于插入到该样品架插入管6内。如图所示，样品架7的第二端和样品架插入管6的敞口端均是法兰结构，两者可拆卸地密封接合。当互相连接的样品架7和样品室8插入到该样品架插入管6并且上述法兰结构密封接合后，样品室8在真空腔1内紧贴着样品架插入管6的管壁。样品室8具有独立的真空环境并且可以快速更换待测样品。制冷机2的冷头部分布置在真空腔1中，冷头通过样品架插入管6的管壁将冷量传递给样品室8，进而把冷量传递给待测样品。
如图1所示，在该实施例中制冷机2的冷头包括一级冷头10和二级冷头11，其中二级冷头11与高导热传热部件5相连接。密闭的屏蔽罩3设在真空腔1内，该屏蔽罩用于罩住二级冷头11和样品架插入管6的封闭端，该屏蔽罩与一级冷头10相连接以便将一级冷头的冷量传递给该屏蔽罩。利用制冷机2的一级冷头10的冷量可以使屏蔽罩3处于低温状态，从而起到减少辐射漏热的作用。在二级冷头11上设置有测温控温装置4，该测控控温装置4包括温度计和加热片，该温度计用于测量二级冷头11的温度，该加热片用于控制二级冷头11的温度，通过启动加热片加热可以将二级冷头11的温度调节到所需温度。与高导热传热部件5相连接的样品架插入管6的管壁上设有由紫铜制作的传热环，高导热传热部件5的两端通过铜卡箍分别与制冷机2的二级冷头11和样品架插入管6的传热环相连接，从而实现冷量传递的目的。
本发明的热物性测量装置的工作流程如下：
首先将互相连接的样品架7和样品室8一起拔出，紧接着用盲板法兰封死样品架插入管6的敞口端，并对样品架插入管6和真空腔1抽真空至高真空状态；然后启动制冷机2开始对整个测量装置降温。在样品杆9上安装好待测样品，即样品室8中的待测样品安装完毕并且对样品室8抽好真空后，随时可将相互连接的样品架7和样品室8一起插入到样品架插入管6内。在插入样品架7和样品室8时，首先给样品架插入管6内充入氦气，使样品架插入管6内的压力略大于大气压力，打开敞口端的盲板法兰，并继续保持样品架插入管6内的氦气供给，快速将样品架7和样品室8插入进而连接好接口处的法兰，停止向样品插入管6内充氦气，然后对样品插入管6抽真空至高真空状态。当待测样品降低到测量温度时，即可开始对待测样品进行热物性测量。在测量过程中，通过测温控温装置4可以使制冷机提供不同温度的恒温源，从而使样品室8内的待测样品保持在不同的温度上，以满足不同的测量需求。
本发明的热物性测量装置可以配备两个以上的互相连接的样品架和样品室，当其中一个正在测试时，其它的互相连接的样品架和样品室可以事先装好下一个待测样品，并对其抽真空，保持样品室内的高真空状态。当一个待测样品测量完毕后，制冷机2继续运行，只需更换另一个准备好的相互连接的样品架7和样品室8即可进行下一个待测样品的测量。具体操作如下：通过第一进气调节阀13向样品架插入管6内充入氦气，使管内压力略大于大气压力，拆卸开样品架插入管6与样品架7之间的法兰，取出互相连接的样品架7和样品室8，并继续保持向样品架插入管6内供给氦气，快速更换上另一个准备好的已装上待测样品的互相连接的样品架7和样品室8。
如果本发明的热物性测量装置只配备有一个样品架，那么当测试完毕上一个待测样品取出样品架7和样品室8后，首先用盲板法兰封死样品架插入管6的敞口端，然后在样品室8上安装好新的待测样品，再通过上述步骤把装好待测样品的样品架7和样品室8一起插入到样品架插入管6内。然后把样品架插入管6与样品架7之间的法兰连接好，再对样品架插入管6抽真空，当样品架插入管6内的真空度达到要求后，使制冷机2对更换上的样品室8降温。当待测样品降低到测量温度时，即可开始对待测样品进行热物性测量。
当待测样品测试完毕以后，在样品室8内重新安装新的待测样品的步骤如下：首先旋开第二真空阀14，破坏样品室8内的真空环境，然后打开样品室8，换上下一个待测样品，或者先更换可拆卸的样品杆9后再在样品杆上安装上新的待测样品。待测样品安装好后，重新装好样品室8。再重新对样品室8抽真空至高真空状态，从而就可以进行新的热物性测量了。
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 (9)
1.一种热物性测量装置，包括：制冷机(2)，其为待测样品提供冷量以将待测样品的温度降低到测量温度；密闭的真空腔(1)，其为测量提供真空绝热环境，其特征是，所述热物性测量装置还包括：
容纳待测样品的密闭的样品室(8)，其连接有气体控制机构用于控制对该样品室抽真空和充气；
样品架插入管(6)，其连接有气体控制机构用于控制对该样品架插入管抽真空和充气，该样品架插入管是一端为封闭端而另一端为敞口端的管形件，该封闭端伸入该真空腔(1)内；
样品架(7)，其第一端连接该样品室(8)，其第二端与该样品架插入管(6)的敞口端可拆卸地密封接合，相互连接的该样品室(8)和该样品架(7)适于插入到该样品架插入管(6)内；
在所述制冷机(2)的冷头和所述样品架插入管(6)之间设有高导热传热部件(5)，用于将冷量传递给所述样品室(8)。
2.根据权利要求1所述的热物性测量装置，其特征是，在所述样品室(8)内可拆卸地设有带有测量机构的样品杆(9)。
3.根据权利要求1或2所述的热物性测量装置，其特征是，与所述样品室(8)连接的气体控制机构同时构成与所述样品架插入管(6)连接的气体控制机构，所述气体控制机构包括用于控制抽真空的真空阀和用于控制充气的进气调节阀。
4.根据权利要求1或2所述的热物性测量装置，其特征是，所述样品架(7)的第二端和所述样品架插入管(6)的所述敞口端均是法兰结构，两者可拆卸地密封接合。
5.根据权利要求4所述的热物性测量装置，其特征是，所述冷头包括一级冷头(10)和二级冷头(11)，其中该二级冷头与所述高导热传热部件(5)相连接。
6.根据权利要求5所述的热物性测量装置，其特征是，还包括设在所述真空腔(1)内的密闭的屏蔽罩(3)，该屏蔽罩用于罩住所述二级冷头(11)和所述样品架插入管(6)的所述封闭端，该屏蔽罩与所述一级冷头(10)相连接以便将所述一级冷头的冷量传递给该屏蔽罩。
7.根据权利要求5或6所述的热物性测量装置，其特征是，还包括设置在所述二级冷头(11)上的测温控温装置(4)，该测温控温装置包括用于测量所述二级冷头(11)的温度的温度计和用于控制所述二级冷头(11)的温度的加热片。
8.根据权利要求1所述的热物性测量装置，其特征是，所述制冷机是多台制冷机并联的制冷机组。
9.根据权利要求1所述的热物性测量装置，其特征是，所述制冷机是G-M制冷机、脉冲管制冷机或斯特林制冷机。
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