CN110455611A - 一种低温恒温器 - Google Patents

Abstract

发明公开了一种低温恒温器，具体涉及低温恒温器技术领域。该低温恒温器包括制冷机，制冷机的外部设有支架，支架的上部连有真空罩，真空罩内设有与制冷机相连的冷头、热沉和样品台，冷头、热沉和样品台自下而上依次设置，冷头连接一级冷屏，热沉连接二级冷屏，样品台的正上方安装样品低温屏，一级冷屏、二级冷屏和样品低温屏的中心位于同一中心轴线上，二级冷屏设置于样品低温屏的上方，一级冷屏设置于二级冷屏的上方，样品低温屏固定于样品台上，二级冷屏通过第二绝热支撑杆固定于一级冷屏上，一级冷屏通过第一绝热支撑架固定于真空支架上。

Description

一种低温恒温器

技术领域

本发明涉及低温恒温器技术领域，具体涉及一种低温度高稳定性的低温恒温器。

背景技术

低温恒温器是指利用低温流体或其他方法使样品处于恒定的，或者按照需要的方式进行变化的低温温度下，并可以在恒温器内对样品进行一种或者多种物理量进行测量的器件。低温恒温器广泛用于光学物理研究、材料在低温下的性能研究和实验、超导特性实验、材料的磁热特性研究、低温下的热物理性质研究等领域。通常实验的目的、要求的不同，对低温恒温器温度、稳定性各方面的要求也不同。

低温恒温器按照工作原理可以分为：贮液式低温恒温器、连续流动式低温恒温器、带制冷机的低温恒温器。贮液式低温恒温器需要消耗低温液体，如液氦、液氢、液氮等，每次使用都需要消耗一定量的液体，比较浪费，且氦作为最不活泼的元素，其极难液化，在卫星飞船发射、导弹武器工业、低温超导研究、半导体生产等方面有重要用途，我国的氦含量很少，一直依赖进口，液氦作为一种战略资源，比较昂贵和稀少。贮液式低温恒温器不太适合极低温的需要进行长时间、大量重复实验所需的低温恒温器，但其具有较好的温度梯度和稳定性。连续流动式低温恒温器需要贮存容器和恒温器，通过控制低温液体的流量来控温，结合加热装置，可以实现宽温区控温。带制冷机的低温恒温器利用各种制冷机替代低温液体来进行温度控制，减少了低温液体的浪费，但需要考虑机械制冷机产生的震动影响。

工作于10K以下的低温恒温器，可以大大减少外界的辐射，而且10K以下某些材料存在超导现象，可以使用低温超导线代替普通低温线缆，减少试验中电路的热辐射。低温辐射计就需要工作于10K以下，温度越低，测试结果的准确度越高。10K以下的温度需要用液氦或制冷机来进行制冷，液氦比较昂贵，机械制冷是一种比较经济、方便的制冷方式。

发明内容

本发明的目的是针对上述不足，提出一种可以使内部最低温度达到3.5K左右，样品台温度达到5.8K左右，样品台最终控温在6.2K左右，使样品处在真空、恒温环境中进行长时间，多次重复实验的低温恒温器。

本发明具体采用如下技术方案：

一种低温恒温器，包括制冷机，制冷机的外部设有支架，支架的上部连有真空罩，真空罩内设有与制冷机相连的冷头、热沉和样品台，冷头、热沉和样品台自下而上依次设置，冷头连接一级冷屏，热沉连接二级冷屏，样品台的正上方安装样品低温屏，一级冷屏、二级冷屏和样品低温屏的中心位于同一中心轴线上，二级冷屏设置于样品低温屏的上方，一级冷屏设置于二级冷屏的上方，样品低温屏固定于样品台上，二级冷屏通过第二绝热支撑杆固定于一级冷屏上，一级冷屏通过第一绝热支撑架固定于真空支架上。

优选地，所述冷头与一级冷屏的连接处采用第一柔性导冷材料连接，冷头与热沉通过第二柔性导冷材料连接。

优选地，所述一级冷屏、二级冷屏和样品低温屏之间采用环形封闭设计，能够有效减小外界对样品台上的样品的热辐射，减少热辐射的幅度为300K到4K。

优选地，所述样品台与热沉之间通过弱导热薄壁管连接，有效减小热沉和样品台之间通过薄壁管进行温度交换形成的波动，提高样品台进行控温的稳定性。

优选地，所述冷头处设置一个温度传感器，热沉处设置一个温度传感器，样品台下方安装一个加热器，用于控制样品台温度，样品台上安装三个高精度温度传感器，用于监控样品台上温度稳定性和温度均匀性，各个温度传感器的温度通过温控仪显示，并通过温控仪和加热器控制样品台的温度变化。

优选地，

先对低温恒温器进行抽真空，抽真空到一定程度，开启制冷机降温，直至冷头达到3K-4K左右，由于冷头、热沉和样品台依次连接，热沉和样品台温度会随冷头的温度降低而降低，最终样品台会达到5K-6K左右；

此时，制冷机的制冷作用使样品台温度不断下降，但温度变化极其缓慢，此时通过外部仪表及加热器对样品台加热，并监控其温度变化，通过温度反馈，使制冷机制冷和加热器加热达到动态平衡，最终使样品台的温度恒定在设定温度，为样品测试提供一个稳定的低温环境。

本发明具有如下有益效果：

该低温恒温器采用机械制冷，不需要昂贵液氦进行制冷，可以使低温恒温器内部最低温度达到3.5K左右，样品台温度达到5.8K左右，样品台温度控温达到6.2K左右，不受开机时间、开机次数限制，可以长时间进行单参数或多参数的大量重复实验，且可以提供真空、超导环境，提高实验测量的准确度，减小测量不确定度。

附图说明

图1为低温恒温器结构示意图；

图2为采用主动控制和被动控制相结合的方式对样品台进行温度控制的流程示意图。

其中，1为制冷机，2为真空罩，3为第一绝热支撑杆，4为第一柔性导热材料，5为冷头，6为第二绝热支撑杆，7为第二柔性导热材料，8为热沉，9为弱导热薄壁管，10为样品台，11为样品低温屏，12为二级冷屏，13为一级冷屏，14为底座支架。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明的具体实施方式做进一步说明：

如图1所示，一种低温恒温器，包括制冷机1，制冷机1的外部设有底座支架14，底座支架14的上部连有真空罩2，真空罩2内设有与制冷机相连的冷头5、热沉8和样品台10，冷头5、热沉8和样品台10自下而上依次设置，冷头5连接一级冷屏13，热沉8连接二级冷屏12，样品台10的正上方设置样品低温屏11，一级冷屏13、二级冷屏12和样品低温屏11的中心位于同一中心轴线上，二级冷屏12设置于样品低温屏11的上方，一级冷屏13设置于二级冷屏12的上方，样品低温屏11固定于样品台10上，二级冷屏12通过第二绝热支撑杆6固定于一级冷屏13上，一级冷屏13通过第一绝热支撑架3固定于真空支架14上。

冷头5与一级冷屏13的连接处采用第一柔性导冷材料4连接，冷头5与热沉8通过第二柔性导冷材料7连接。一级冷屏13、二级冷屏12和样品低温屏11之间采用环形封闭设计，能够有效减小外界对样品台上的样品的热辐射，减少热辐射的幅度为300K到4K。样品台10与热沉8之间通过弱导热薄壁管9连接，有效减小热沉和样品台之间通过薄壁管进行温度交换形成的波动，提高对样品台进行控温的稳定性。

热沉8、样品台10、一级冷屏13、二级冷屏12及导冷结构均为高纯无氧铜材料加工而成，同时表面镀金，保证真空环境，减小辐射漏热量。

冷头5处设置一个温度传感器，热沉处设置一个温度传感器，样品台下方安装一个加热器，用于控制样品台温度，样品台上安装三个高精度温度传感器，用于监控样品台上温度稳定性和温度均匀性，各个温度传感器的温度通过温控仪显示，并通过温控仪和加热器控制样品台的温度变化。各个温度传感器的温度可以通过温控仪显示，并可以通过温控仪和加热器控制样品台的温度变化。

该低温恒温器的具体工作方法为：先对低温恒温器进行抽真空，抽真空到一定程度，开启制冷机降温，直至冷头达到3K-4K左右，由于冷头、热沉和样品台依次连接，热沉和样品台温度会随冷头的温度降低而降低，最终样品台会达到5K-6K左右；

此时，制冷机的制冷作用使样品台温度不断下降，但温度变化极其缓慢，此时通过外部仪表及加热器对样品台加热，并监控其温度变化，通过温度反馈，使制冷机制冷和加热器加热达到动态平衡，最终使样品台的温度恒定在设定温度，为样品测试提供一个稳定的低温环境。

为了达到较高的稳定度和精度，整个系统需要采用主动控制和被动控制相结合的方式对样品台进行温度控制。

主动方式是采用高精度的温控仪进行控制，利用温控仪自带的高精度PID自动控制来实现高精度温度控制。PID控制的各个参数可以设置，通过设置合理的参数，可以达到高精度的控制，满足需要的温度稳定性。温控仪与加热器相连，通过样品台上温度传感器进行温度反馈，对样品台进行加热和降温，最终加热器产生的热量和制冷机产生的冷量形成动态平衡，使样品台的温度达到稳定。流程图如图2所示，其中E1<E2，E1和E2为根据多次试验和计算得出的阈值，阈值E2的选择比较重要，大于阈值E2用通常的PID算法进行粗略调控，小于阈值E2则进行PI算法的精细调控。阈值E2的不合理选取，可能会导致整个控温过程难以达到稳定状态，在某个温度范围内不断振荡。

被动控制主要通过对整个低温恒温器进行合理的设计，不断优化，选择合适的材料、合适的形状、合适的长度、合理的结构设计，通过这些优化设计，可以减少系统的漏热、漏气，提高系统最终的温度稳定性。

为了减小导线的漏热对系统的影响，传感器的引线要根据温度的不同选择不同的导线。在超低温环境中采用NbTi超导线，在常温到低温阶段选择锰铜线，通过选择不同的导线，尽量提高实验的测量精度。加热电阻需要选择一个大电阻的，由功率计算公式P＝I²R可知，功率一定时，电阻越大，电流越小，导线中的电流越小，导线产生的热量越小，对稳定性影响越小，控温的精度更高。

为了达到理想的效果，进行了热力学模拟仿真分析，分析各个部件的温度分布，为各个部件的大小、体积设计、材料的选择、导线的布局提供理论支撑。

通过软件的模拟仿真，最终采用大热容热阻结构，实现温度波动的被动衰减。热沉和样品台之间采用弱导热薄壁管相连，薄壁管和热沉之间、薄壁管和样品台之间垫铟片，保证三者之间的连接效果，热沉和样品台的质量设定是通过软件仿真出来的合适的比例，以及冷头和热沉之间的柔性冷链，可以实现温度的被动控制。

通过上述的注重细节的结构设计并配合主动控制，可以满足实验对样品台温度稳定性的要求，最终达到理想的实验效果，整个系统的原理图如图1所示。

需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。

当然，上述说明并非是对本发明的限制，本发明也并不仅限于上述举例，本技术领域的技术人员在本发明的实质范围内所做出的变化、改型、添加或替换，也应属于本发明的保护范围。

Claims (6)

1.一种低温恒温器，其特征在于，包括制冷机，制冷机的外部设有支架，支架的上部连有真空罩，真空罩内设有与制冷机相连的冷头、热沉和样品台，冷头、热沉和样品台自下而上依次设置，冷头连接一级冷屏，热沉连接二级冷屏，样品台的正上方安装样品低温屏，一级冷屏、二级冷屏和样品低温屏的中心位于同一中心轴线上，二级冷屏设置于样品低温屏的上方，一级冷屏设置于二级冷屏的上方，样品低温屏固定于样品台上，二级冷屏通过第二绝热支撑杆固定于一级冷屏上，一级冷屏通过第一绝热支撑架固定于真空支架上。

2.如权利要求1所述的一种低温恒温器，其特征在于，所述冷头与一级冷屏的连接处采用第一柔性导冷材料连接，冷头与热沉通过第二柔性导冷材料连接。

3.如权利要求1所述的一种低温恒温器，其特征在于，所述一级冷屏、二级冷屏和样品低温屏之间采用环形封闭设计，能够有效减小外界对样品台上的样品的热辐射，减少热辐射的幅度为300K到4K。

4.如权利要求1所述的一种低温恒温器，其特征在于，所述样品台与热沉之间通过弱导热薄壁管连接，有效减小热沉和样品台之间通过薄壁管进行温度交换形成的波动，提高对样品台进行控温时的温度稳定性。

5.如权利要求1所述的一种低温恒温器，其特征在于，所述冷头处设置一个温度传感器，热沉处设置一个温度传感器，样品台下方安装一个加热器，用于控制样品台温度，样品台上安装三个高精度温度传感器，用于监控样品台上温度稳定性和温度均匀性，各个温度传感器的温度通过温控仪显示，并通过温控仪和加热器控制样品台的温度变化。

6.如权利要求1-5任一所述的一种低温恒温器，其特征在于，

先对低温恒温器进行抽真空，抽真空到一定程度，开启制冷机降温，直至冷头达到3K-4K，由于冷头、热沉和样品台依次连接，热沉和样品台温度会随冷头的温度降低而降低，最终样品台会达到5K-6K；

此时，制冷机的制冷作用使样品台温度不断下降，但温度变化极其缓慢，此时通过外部仪表及加热器对样品台加热，并监控其温度变化，通过温度反馈，使制冷机制冷和加热器加热达到动态平衡，最终使样品台的温度恒定在设定温度，为样品测试提供一个稳定的低温环境。