CN109164127A - 一种用于热分析仪器的冷却器 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种用于热分析仪器的冷却器，包括：中空，且一端封闭为传冷面、一端开放的导冷件；中空且隔着间隙嵌套于所述导冷件内部的冷媒喷头；位于所述导冷件的开放的一端侧的冷媒入口管和冷媒出口管；以及与所述导冷件的开放的一端、以及与所述冷媒喷头中远离所述传冷面的一端分别密封连接的过渡接头；所述冷媒喷头的内壁与所述过渡接头形成了冷媒内腔；所述冷媒喷头的外壁与所述导冷件的内壁形成了冷媒外腔；所述冷媒入口管与所述冷媒内腔相连通，所述冷媒出口管与所述冷媒外腔相连通。根据本发明，可快速将冷量传导给热分析仪器的炉体，而且通过形成为内外双层的结构，能大幅度提升制冷效果。

Description

一种用于热分析仪器的冷却器

技术领域

本发明涉及一种用于热分析仪器的冷却器。

背景技术

目前，热分析技术是在程序温度控制下测量物质的物理性质随温度的变化，用于研究物质在某一特定温度时所发生的热学、力学、声学、光学、电学、磁学等物理参数的变化，是一种十分重要的分析测试方法。此外，不同的技术方法对应不同的热分析仪器，但通常热分析仪器包括温度控制器、炉体、物理检测单元、气氛控制器和数据处理系统等，其中，炉体是热分析仪器的核心部件，为试样提供一个测量所需的均温环境得到支撑。

具体而言，可分为差示扫描量热法（Differential Scanning Calorimetry；DSC）、差热分析（Differential Thermal Analysis；DTA）、热重分析仪（Thermo GravimetricAnalyzer；TGA）、以及动态热机械分析（Dynamic Thermomechanical Analysis；DMA）等。

差示扫描量热法中所需的差示扫描量热仪（以下有时也会简称DSC）是上述热分析仪器的一种，也是应用最广泛的一种，是使样品处于程序温度控制下，观察样品和参比物之间热流差随温度或时间变化的测试仪器。另外，磁环境还能对材料的物相形成及性能产生影响，对材料新现象和机理研究具有重要的科学价值。

然而，目前产品性能指标过低，商品化的差示扫描量热仪大部分没有低温区，只有少数有低温指标，仅在103K以上，同时冷却速率也低于80K/min，难以满足市场需求。另外，针对应用于磁环境的差示扫描量热仪的研究，也几乎处于起步阶段。

发明内容

发明要解决的问题：

针对上述问题，本发明的目的在于提供一种用于热分析仪器的冷却器，能实现快速高效的制冷，且在有磁和无磁环境下均能准确测量。

解决问题的技术手段：

本发明提供一种用于热分析仪器的冷却器，包括：

中空，且一端封闭为传冷面、一端开放的导冷件；

中空且隔着间隙嵌套于所述导冷件内部的冷媒喷头；

位于所述导冷件的开放的一端侧的冷媒入口管和冷媒出口管；以及

与所述导冷件的开放的一端、以及与所述冷媒喷头中远离所述传冷面的一端分别密封连接的过渡接头；

所述冷媒喷头的内壁与所述过渡接头形成了冷媒内腔；

所述冷媒喷头的外壁与所述导冷件的内壁形成了冷媒外腔；

所述冷媒入口管与所述冷媒内腔相连通，所述冷媒出口管与所述冷媒外腔相连通。

根据本发明，导冷件的封闭一端的表面为传冷面，通过该薄壁平面将冷量传递给炉体，因此传冷路径短，与传统的制冷部件相比，可快速将冷量传导给热分析仪器的炉体。又，冷媒入口管通过所述过渡接头与所述冷媒内腔相连通，冷媒出口管通过所述过渡接头与所述冷媒外腔相连通，从而形成内外双层的结构，在内层结构中，冷媒喷头上端面设有大量细孔，可使冷媒通过内层进入外层这个瞬间使其充分汽化释放出汽化潜热，冷媒汽化后的气体通过外层结构排出，与传统结构相比，外层结构布置于传冷面的下方，具有一定的保温作用，使冷量能够充分的向传冷面方向传导，从而使冷量充分传导给热分析仪炉体，能大幅度提升制冷效果。

也可以是，本发明中，所述冷却器的各构件均为无磁材料。借助于此，应用于磁环境下的测量。

也可以是，本发明中，所述导冷件上包括多孔环。借助于此，能使沿导冷件的内壁流下的冷媒进行二次汽化，从而使冷媒汽化更充分，将冷量更高效地传递给导冷件。

也可以是，本发明中，所述冷媒喷头靠近所述传冷面的一端设有细孔。借助于此，有少量冷媒从冷媒内腔的侧壁面喷出汽化，从而可以进一步预冷冷却器中传冷面以下的构件环境，具有进一步的保温作用，使冷量能够进一步充分的向传冷面方向传导。

也可以是，本发明中，所述过渡接头上形成有第一缺口和第二缺口，所述第一缺口用作连通所述冷媒内腔和所述冷媒入口管的通道，所述第二缺口用作连通所述冷媒外腔流至所述冷媒出口管的通道。借助于此，本发明的过渡接头巧妙地完成双层结构的通道流向，结构紧凑，缩小了局部尺寸。

也可以是，本发明中，所述冷媒入口管在所述冷媒内腔的延伸方向上通过所述过渡接头与其密封连接并相连通，所述冷媒出口管在所述冷媒外腔的延伸方向上，通过所述过渡接头与其密封连接并相连通。借助于此，本发明的冷媒入口管和冷媒出口管在内外两个腔体的延伸方向上布置，因此与传统制冷部件相比，该配置方式能实现结构紧凑，缩小了整体尺寸，提高适配性等优点。

也可以是，本发明中，所述冷媒入口管、所述冷媒喷头、所述导冷件、所述过渡接头和所述冷媒出口管为分体加工，而后再组装成所述冷却器。借助于此，不仅能降低制造成本，而且便于拆卸和维修，也利于局部更换，节省人力物力。

也可以是，本发明中，所述冷媒入口管、所述冷媒喷头、所述导冷件、所述过渡接头和所述冷媒出口管为一体化成型。借助于此，能大幅地降低构件间的装配误差，最大程度保证密封性。

也可以是，本发明中，所述一体化成型为3D立体打印。

发明效果：

本发明能提供一种降温速度快，冷却效果好，同时不受磁环境影响的用于热分析仪器的冷却器。

附图说明

图1是根据本发明的用于热分析仪器的冷却器的剖视图；

图2是导冷件的剖视图；

图3是冷媒喷头及过渡接头的剖视图；

图4是示出冷媒介质流向的示意图；

图5是根据本发明的冷却器应用于热分析仪器的炉体的局部剖视图；

图6是配备有本发明的冷却器的热分析仪器的整体结构示意图；

图7是炉体的制冷降温曲线图；

符号说明：

50 冷媒入口管

51 冷媒出口管

60 冷媒内腔

61 冷媒外腔

70 冷媒喷头

80 导冷件

1 传冷面

2 多孔环

3 母端口

4 过渡接头

5 止口

6 公端口

7 保温层

8 导热柱

9 炉体主体

10 左坩埚

11 右坩埚

12 炉盖

13 第一接口

14 第二接口

15 第一缺口

16 第二缺口

16a 缺口

90 CPU

91 控温系统

92 加热电源

93 冷媒单元

94 测量单元

95 气路控制单元

96 炉温

97 热流差信号。

具体实施方式

以下结合附图和下述实施方式进一步说明本发明，应理解，附图和下述实施方式仅用于说明本发明，而非限制本发明。在各图中相同或相应的附图标记表示同一部件，并省略重复说明。

本发明在此公开一种用于热分析仪器的快速冷却器，扫描量热仪上，该冷却器作为制冷部件，将冷媒介质汽化释放出的冷量传递给炉体，从而实现冷却降温。图1是根据本发明的用于热分析仪器的冷却器的剖视图。图2是导冷件的剖视图。图3是冷媒喷头及过渡接头的剖视图。图4是示出冷媒介质流向的示意图。如图1所示，该冷却器是一种双层结构，由冷媒入口管50、冷媒喷头70、导冷件80、过渡接头4和冷媒出口管51等构成。冷媒介质从冷媒入口管50进入至冷媒内腔60内，再经冷媒喷头70喷射至导冷件80的内表面从而汽化，汽化后的冷媒介质进入冷媒外腔61后由冷媒出口管51排出。

本实施形态中，如图1和2所示，本实施形态中，导冷件80为中空的长筒状构件，一端封闭，另一端开放，封闭的一端为传冷面1，开放的一端为母端口3。具体地，导冷件80通过该薄壁的传冷面1将冷媒介质的冷量传递给炉体，由此，内部的传冷路径与传统的制冷部件相比大大缩短，可快速将冷量传导给热分析仪器的炉体。又，传冷面可以形成为制造成本较低的平滑面的结构，也可以形成为热交换面积较大的凹凸面的结构。又，导冷件80上还可包括多孔环2，由此能使沿导冷件80的内壁流下的冷媒介质进行二次汽化，从而使冷媒介质汽化更充分，将冷量更高效地传递给导冷件80。又，本发明中，冷媒介质可以为机械制冷的制冷工质，也可以为液氮或液氦等。

如图3所示，过渡接头4上形成有：尺寸与冷媒喷头70相对应的止口5、尺寸与导冷件80相对应且位于止口5下方的公端口6、作为连通通道且彼此独立的第一缺口15和第二缺口16、以及分别与第一缺口15和第二缺口16连接的第一接口13和第二接口14。其中，导冷件80的母端口3与过渡接头4的公端口6密封连接，例如可为螺纹密封、焊接等，但不限于此。本实施形态中，第一缺口15为一通孔结构，用作连通冷媒内腔60和冷媒入口管50的通道，其一端通向冷媒内腔60，一端连通第一接口13。第二缺口16为一盲孔结构，且在盲孔的底部侧面开一缺口16a，该缺口16a与冷媒外腔61连通，第二缺口16的另一端与第二接口14连通，用作连通冷媒外腔61流至冷媒出口管51的通道。借助于此，过渡接头70巧妙地完成双层结构的通道流向，结构紧凑，缩小了局部尺寸。

冷媒喷头70为直径小于导冷件80的中空的长筒状构件，并隔着间隙嵌套于导冷件80内部，冷媒喷头70中靠近传冷面1的一端设有细孔，用于喷射冷媒介质。具体而言，分别在该一端的上端面和靠近上端面的侧壁面上设有细孔，本发明中，根据具体需求，可能需在上端面设置较多细孔，但在侧壁面仅设有少量细孔即可。冷媒喷头70的另一端（即远离细孔的一端）与过渡接头4的止口5密封连接，例如焊接、螺纹连接等，但不限于此。

又，如图1所示，冷媒喷头70的内壁与过渡接头4形成了冷媒内腔60，冷媒喷头70的外壁与导冷件80的内壁形成了冷媒外腔61。过渡接头4的第一接口13是与冷媒入口管50连接的端口，应为密封连接，例如可为螺纹连接、焊接等，但不限于此。过渡接头4的第二接口14是与冷媒出口管51连接的端口，应为密封连接，例如可为螺纹连接、焊接等，但不限于此。具体而言，冷媒入口管50通过过渡接头4上的第一缺口15和第一接口13与冷媒内腔60相连通，冷媒出口管51通过过渡接头4上的第二缺口16和第二接口14与冷媒外腔61相连通，从而形成内外双层的结构，与传统结构相比，能大幅度提升制冷效果。

又，冷媒入口管50和冷媒出口管51位于同一端并在内外双层腔体的延伸方向上（即本实施形态中为竖直方向上）分别通过过渡接头4与冷媒内腔60和冷媒外腔61各自相连通。由此，冷媒入口管50和冷媒出口管51形成为竖直布置且大致并排的结构，因此与传统制冷部件相比，该配置方式能实现结构紧凑，缩小了整体尺寸，提高适配性等优点。

另，本发明中，各构件均为无磁材料制成。借助于此，应用于磁环境下的测量。另，本发明中，可分体加工冷媒入口管50、冷媒喷头70、导冷件80、过渡接头4和冷媒出口管51，而后再组装成冷却器。由此不仅能降低制造成本，而且便于拆卸和维修，也利于局部更换，节省人力物力。但也可使冷媒入口管50、冷媒喷头70、导冷件80、过渡接头4和冷媒出口管51一体化成型，例如3D立体打印等。由此，能大幅地降低构件间的装配误差，最大程度保证密封性。

（实施例）

下面进一步例举实施例以详细说明本发明。同样应理解，以下实施例只用于对本发明进行进一步说明，不能理解为对本发明保护范围的限制，本领域的技术人员根据本发明的上述内容作出的一些非本质的改进和调整均属于本发明的保护范围。下述示例具体的工艺参数等也仅是合适范围中的一个示例，即本领域技术人员可以通过本文的说明做合适的范围内选择，而并非要限定于下文示例的具体数值。图5是根据本发明的冷却器应用于热分析仪器的炉体的局部剖视图；图6是配备有本发明的冷却器的热分析仪器的整体结构示意图。

具体操作时，在左坩埚10内放置待测样品，右坩埚11为空坩埚，作为参比物。随后，CPU90根据待测样品所需的程序控制温度而发出指令，控温系统91接收指令后控制加热电源92和冷媒单元93对炉体主体100进行升温或者降温实验，同时CPU90根据待测样品所需吹扫气体流量控制气路控制单元95对炉体主体9的腔室按照一定的流量进行吹扫。在此过程中，炉温96即是炉体主体9的实际温度，控温系统通过炉温96的数值与目标温度值实时比较，采用PID控温算法对炉体主体9的炉温96进行精确控制，为样品的测量提供一个精确的均温环境，热流传感器测量所得的热流差信号97被测量单元94采集并输出，从而完成了对待测样品的测量任务。

本实施例中，使用液氮作为冷媒介质，使用差示扫描量热仪作为热分析仪器，冷却器位于炉体的下方。该炉体可采用现有技术中常见的结构，例如，传冷面1与炉体的导热柱8连接，导热柱8的上面连接有炉体主体9，炉体主体9的内腔中设有左坩埚10和右坩埚11，炉体主体9和导冷件80的外侧设有保温层7，炉体主体9上表面设有炉盖12。

冷媒介质从冷媒入口管50进入到冷媒内腔60内，经冷媒喷头70喷洒到导冷件80的内壁上，如此便将冷能量传递给导冷件80，导冷件80将冷量由传冷面1传递导热柱8，导热柱8将冷量传递给炉体主体9，从而为左坩埚10和右坩埚11提供低温测量环境。

如上，在对应用了本发明的冷却器的热分析仪器的炉体进行单一制冷时，对炉体持续流通冷媒介质以降温，并对炉体的降温能力进行检测。图7是使用本发明的冷却器炉体的制冷降温曲线图，参考图7可知，液氮灌的压力为16bar时，炉体可实现在2分12秒内从室温降至低温88K。由此可知，本发明的冷却器通过双层结构而使冷媒介质能够充分汽化，将冷量传递给炉体，与此同时，因使用无磁材料制作且管路从正下方引出，从而整体结构紧凑，能使炉体放置于狭窄的磁体间隙中测量。

以上的具体实施方式对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，应当理解的是，以上仅为本发明的一种具体实施方式而已，并不限于本发明的保护范围，在不脱离本发明的基本特征的宗旨下，本发明可体现为多种形式，因此本发明中的实施形态是用于说明而非限制，由于本发明的范围由权利要求限定而非由说明书限定，而且落在权利要求界定的范围，或其界定的范围的等价范围内的所有变化都应理解为包括在权利要求书中。凡在本发明的精神和原则之内的，所做出的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种用于热分析仪器的冷却器，包括：

中空，且一端封闭为传冷面、一端开放的导冷件；

中空且隔着间隙嵌套于所述导冷件内部的冷媒喷头；

位于所述导冷件的开放的一端侧的冷媒入口管和冷媒出口管；以及

与所述导冷件的开放的一端、以及与所述冷媒喷头中远离所述传冷面的一端分别密封连接的过渡接头；

所述冷媒喷头的内壁与所述过渡接头形成了冷媒内腔；

所述冷媒喷头的外壁与所述导冷件的内壁形成了冷媒外腔；

所述冷媒入口管与所述冷媒内腔相连通，所述冷媒出口管与所述冷媒外腔相连通。

2.根据权利要求1所述的用于热分析仪器的冷却器，其特征在于，所述冷却器的各构件均为无磁材料。

3.根据权利要求1所述的用于热分析仪器的冷却器，其特征在于，所述导冷件上包括多孔环。

4.根据权利要求1所述的用于热分析仪器的冷却器，其特征在于，所述冷媒喷头靠近所述传冷面的一端设有细孔。

5.根据权利要求1所述的用于热分析仪器的冷却器，其特征在于，所述过渡接头上形成有第一缺口和第二缺口，所述第一缺口用作连通所述冷媒内腔和所述冷媒入口管的通道，所述第二缺口用作连通所述冷媒外腔流至所述冷媒出口管的通道。

6.根据权利要求1所述的用于热分析仪器的冷却器，其特征在于，所述冷媒入口管在所述冷媒内腔的延伸方向上通过所述过渡接头与其密封连接并相连通，所述冷媒出口管在所述冷媒外腔的延伸方向上，通过所述过渡接头与其密封连接并相连通。

7.根据权利要求1所述的用于热分析仪器的冷却器，其特征在于，所述冷媒入口管、所述冷媒喷头、所述导冷件、所述过渡接头和所述冷媒出口管为分体加工，而后再组装成所述冷却器。

8.根据权利要求1所述的用于热分析仪器的冷却器，其特征在于，所述冷媒入口管、所述冷媒喷头、所述导冷件、所述过渡接头和所述冷媒出口管为一体化成型。

9.一种具备权利要求1至8中任一项所述的冷却器的热分析仪器。