CN113778149A - 一种可进行宽温区连续变温控制的恒温器装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种可进行宽温区连续变温控制的恒温器装置，该装置包括低温制冷系统、样品腔组件、绝热隔热组件和样品温度控制系统，样品腔组件中的样品杆杆体（43）上配置有分别与样品温度控制系统中的温控仪（57）相连接的样品温度传感器（54）和样品加热器（55），温控仪（57）通过线路与上位机（56）相连接，上位机（56）通过温控仪（57）对样品温度传感器（54）和样品加热器（55）进行PID闭环控制；样品腔组件中的静态氦气接口（47）连通的静态氦气管道上设有与上位机（56）相连接的静态氦气压力传感器（64）。本发明的装置能够在2‑800K的宽温区连续变温控制，满足了当今高端物性测量领域的需求。

Description

一种可进行宽温区连续变温控制的恒温器装置

技术领域

本发明属于涉及低温仪器装置、低温温控方法及物性测量技术研究领域，具体地说是一种基于小型低温制冷机、利用液氦节流供冷的可进行宽温区连续变温控制的恒温器装置。

背景技术

带有温度扫描功能的低温恒温器常用于物性测量领域。随着材料技术的不断发展，越来越多的新材料被成功研制，为验证这些材料的性质，对其开展物性测量是非常必要的一个环节。然而，这些材料的应用领域非常广泛，往往需要在外加磁场或者辐射场的情况下对其物性进行较大范围的测量，这也就对物性测量装置提出了更高的要求。对于用于物性测量的恒温器来说，需要具有更宽的温区，更连续的变温，更开放式的结构（以便外加特定的物理场），更精准的温度控制。

目前，国内对于低温恒温器的研究与欧美、日本还有很大差距，尤其4K以下宽温区用于物性测量的恒温器仍然留有大片空白。目前国内已公开专利，如CN105355319A一种用于超导电缆的低温恒温器、CN205246278U一种低温工作装置、CN207456918U液氮低温恒温器，最低温度都停留77K左右的液氮温区，没有外加物理场的结构设计已无法满足现有高端物性测量需求。如CN108800638A一种低温恒温器、CN107655236A超低振动低温恒温器，虽能达到4K的液氦温区，但离国际领先的制冷温度仍有较大差距；且因为没有过热保护能力，不具备在高温温区运行的能力。

发明内容

本发明的目的是解决现有低温恒温器温区范围窄、温区下限高、变温不连续等问题，提供一种基于小型低温制冷机、利用液氦节流供冷的可进行宽温区连续变温控制的恒温器装置，该装置具有更加开放式的设计，便于外加物理场，以适应各种物性测量环境的要求。

本发明的目的是通过以下技术方案解决的：

一种可进行宽温区连续变温控制的恒温器装置，其特征在于：该装置包括低温制冷系统、样品腔组件、绝热隔热组件和样品温度控制系统，样品腔组件中用于放置样品的样品杆杆体上配置有样品温度传感器和样品加热器，样品温度传感器和样品加热器分别与样品温度控制系统中的温控仪相连接，温控仪通过线路与上位机相连接，上位机通过温控仪对样品温度传感器和样品加热器进行PID闭环控制；所述样品腔组件中的用于控制静态氦气压的静态氦气接口连通的静态氦气管道上设有监控静态氦气压的静态氦气压力传感器，该静态氦气压力传感器与上位机相连接以反馈静态氦气的压力。

所述低温制冷系统中的低温阀上配置有与上位机通讯连接的低温阀调控机构，上位机通过低温阀调控机构设定低温阀的低温阀阀针的行程，低温阀调控机构能够向上位机反馈低温阀阀针的行程。

所述低温制冷系统中的液氦管路上配置有能联动控制的液氦温度传感器和液氦加热器，液氦温度传感器和液氦加热器分别与温控仪相连接，上位机通过温控仪对液氦温度传感器和液氦加热器进行PID闭环控制。

所述低温制冷系统中的循环氦气管道上设置有监控循环氦气流量的流量计和监控循环氦气压力的循环氦气压力传感器，流量计和循环氦气压力传感器分别与上位机相连接，以反馈循环氦气的流量和压力；所述的流量计位于循环氦气管道上的循环泵的出气口后侧；所述的循环氦气压力传感器位于循环氦气管道上的循环泵的进气口前侧。

所述绝热隔热组件中的一级热辐射屏和二级热辐射屏上分别设置有温度监控点，温度监控点处设置的温度传感器分别与温控仪相连接，以将实时监测的温度反馈至上位机；所述绝热隔热组件中的真空腔体配置有真空泵，该真空泵与上位机相连接，使得上位机能够通过真空泵控制真空腔体中的真空度。

所述绝热隔热组件的局部下凸构成绝热隔热下沉腔以容纳样品腔组件中的样品腔底筒，样品腔组件中的样品杆杆体伸至样品腔底筒内。

所述的绝热隔热组件包括真空腔体、一级热辐射屏和二级热辐射屏，其中真空腔体由真空腔体法兰和真空腔体筒体组合而成，且真空腔体筒体的底部局部下凸；由一级热辐射屏筒体和一级热辐射屏法兰组合而成的一级热辐射屏悬浮在真空腔体中，且一级热辐射屏上设有自一级热辐射屏法兰向下穿过一级热辐射屏筒体的底部并延伸至真空腔体筒体的下凸部的一级热辐射屏下延段，一级热辐射屏下延段伸出真空腔体筒体底部的部分和真空腔体筒体的下凸部构成绝热隔热下沉腔；由二级热辐射屏筒体和二级热辐射屏法兰组合而成的二级热辐射屏悬浮在一级热辐射屏中。

所述的低温制冷系统包括制冷机、制冷机腔体、低温阀调控机构控制的低温阀以及氦气循环系统，制冷机的冷头插入制冷机腔体中且制冷机和制冷机腔体采用压接实现热耦接，制冷机的二级冷头处设有弹性导热模块与制冷机腔体的制冷机腔体底法兰实现热耦接；制冷机腔体底部的制冷机腔体液氦出口通过位于绝热隔热组件中的二级热辐射屏内的液氦管路与位于二级热辐射屏内的低温阀的低温阀阀座上的低温阀液氦入口相连通，低温阀阀座上的低温阀液氦出口通过管路与样品腔组件中的样品腔夹层底部的样品腔液氦入口相连通，样品腔夹层顶部的循环氦气出口通过带有循环泵的循环氦气管道与制冷机腔体上的循环氦气进气口相连接，制冷机腔体、制冷机腔体液氦出口和低温阀液氦入口之间的液氦管路、低温阀阀座的内腔流道、低温阀液氦出口和样品腔液氦入口之间的管道、样品腔组件中的样品腔夹层、循环氦气出口和循环氦气进气口之间的循环氦气管道构成氦气循环系统。

所述的弹性导热模块由导热模块顶板、柔性导热链、弹簧、导热模块底板构成，导热模块顶板与制冷机的二级冷头直接接触、导热模块底板与制冷机腔体底法兰直接接触，导热模块底板与导热模块顶板之间通过弹簧支撑、并通过柔性导热链热耦接。

所述的样品腔组件包括样品腔外筒、样品腔内筒、作为样品腔内筒延伸段的样品腔底筒、样品腔法兰、样品杆、样品杆法兰，样品杆的样品杆杆体插入样品腔内筒和样品腔底筒中且样品杆通过样品杆法兰固定在样品腔法兰上；所述样品杆杆体上均布有杆体热辐射屏；所述的样品腔外筒和样品腔内筒之间构成样品腔夹层，低温阀后的低温氦流流经样品腔夹层来给样品腔内筒和样品腔底筒构成的氦气腔降温，并从样品腔夹层上端的循环氦气出口进入循环氦气管道。

本发明相比现有技术有如下优点：

本发明的装置中液氦节流降温部分采用自主设计的低温阀代替传统的毛细管装置，通过改变节流阀的流阻，不仅可以调控节流后的氦气温度及液氦比例，也可以对氦气流量进行微调，因此无需大幅改变制冷机的温度即可实现冷量的调节与再分配；该装置通过4K GM制冷机与JT阀联用可提供样品2K的低温环境，相比于采用单一制冷机的恒温器，拥有更低的低温温区。

本发明的样品腔组件设有样品腔夹层，动态低温氦气走样品腔夹层，与样品间通过氦气腔内的静态氦气导热，如此可以通过调节氦气腔内的静态氦气压力来控制冷源与样品间的导热量；在低温区运行时，静态氦气压可调高以增强换热；高温区运行时，静态氦气压尽可能调低以减弱换热；此外，样品腔夹层中的循环氦气可用来冷却样品腔外筒和样品腔内筒的壁面，起到温度保护作用，防止样品腔的壁面过热而损坏设备；故该装置相比于其他恒温器设备拥有更高的高温温区；即装置具有温区更宽的优势。

本发明的装置采用低温-高温温区分段式温度控制，低温温区及高温温区又划分为很多个小温区，每个小温区设定不同的PID闭环控制参数来控制加热器，配合软件的统筹控制，实现各温区段间的平滑过渡，最终实现装置的连续变温且样品温度变化速率可调。

本发明的装置中的样品温度控制系统具备应急处理功能，恒温器装置中除样品位置外，其余的温度监控点超过常温一定程度，上位机即会报警，切断样品加热器的电源，避免装置损坏。

本发明的装置采用更加开放式的结构，样品腔底筒及其配套结构相对于主体部分向下伸出，便于在样品位置施加外部影响，如磁场、中子束等，以适应各种物性测量环境的要求。

本发明的装置中的制冷机与制冷机腔体间采用压接实现热耦接，制冷机的二级冷头处设有弹性导热模块与制冷机腔体实现良好的热耦接。

本发明的装置中的一级热辐射屏下延段包裹样品腔底筒，避免了样品高温状态下热辐射对装置的影响。

本发明的装置采用液氦节流提供低温环境，配合样品腔内的气压控制及样品加热控制，实现样品温度的低温-高温温区分段式控制，各段之间控制平滑过渡，样品温度变化速率可调，最终实现该装置能够在2-800K的宽温区连续变温控制，满足了当今高端物性测量领域的需求以及填补国内技术的空白。

附图说明

附图1为本发明的可进行宽温区连续变温控制的恒温器装置的结构示意图；

附图2为本发明的弹性导热模块的结构示意图；

附图3为本发明的样品温度控制系统的控制原理图。

其中：1—制冷机；2—制冷机安装法兰；3—制冷机腔体上段；4—制冷机腔体转接；5—制冷机腔体下段；6—制冷机腔体底法兰；7—制冷机腔体；8—弹性导热模块；9—导热模块顶板；10—柔性导热链；11—弹簧；12—导热模块底板；13—真空腔体法兰；14—真空腔体筒体；15—一级热辐射屏法兰；16—一级热辐射屏筒体；17—二级热辐射屏法兰；18—二级热辐射屏筒体；19—制冷机腔体液氦出口；20—液氦管路；21—低温阀液氦入口；22—低温阀液氦出口；23—样品腔液氦入口；24—低温阀；25—低温阀调控机构；26—低温阀波纹管；27—低温阀常温法兰；28—低温阀阀杆；29—低温阀外壁；30—低温阀导向块；31—低温阀一级热沉；32—低温阀二级热沉；33—低温阀阀针；34—低温阀阀座；35—样品腔外筒；36—样品腔内筒；37—样品腔法兰；38—样品腔一级热沉；39—一级热辐射屏下延段；40—样品腔底筒；41—样品杆；42—样品杆法兰；43—样品杆杆体；44—杆体热辐射屏；45—氦气腔；46—循环氦气出口；47—静态氦气接口；48—循环泵；49—循环回路充气阀；50—循环回路充气接口；51—静态氦气充气阀；52—静态氦气充气接口；53—循环氦气进气口；54—样品温度传感器；55—样品加热器；56—上位机；57—温控仪；58—流量计；59—循环氦气压力传感器；60—真空泵；61—液氦温度传感器；62—液氦加热器；63—循环氦气管道；64—静态氦气压力传感器。

具体实施方式

下面结合说明书附图和具体的实施例，对本发明作详细描述。显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

如图1-3所示：本发明提供的一种可进行宽温区连续变温控制的恒温器装置，该装置包括低温制冷系统、样品腔组件、绝热隔热组件和样品温度控制系统。

如图1、图2所示，低温制冷系统涉及的主要部件有制冷机1、制冷机腔体7、弹性导热模块8、液氦管路20、低温阀24、低温阀调控机构25、循环泵48、循环回路充气阀49和循环氦气管道63。其中制冷机1的冷头插入制冷机腔体7中且制冷机1和制冷机腔体7采用压接实现热耦接，制冷机1通过制冷机安装法兰2安装在真空腔体法兰13上，制冷机腔体7包括制冷机腔体上段3和制冷机腔体下段5，制冷机1的一级冷头位于制冷机腔体上段3内且制冷机1的二级冷头位于制冷机腔体下段5内，制冷机1的一级冷头与一级热辐射屏法兰15通过制冷机腔体转接4进行热耦接，达到温度同步；制冷机1的二级冷头与二级热辐射屏法兰17通过制冷机腔体底法兰6进行热耦接，达到温度同步。制冷机1的二级冷头处设有弹性导热模块8与制冷机腔体7的制冷机腔体底法兰6实现热耦接；制冷机腔体7底部的制冷机腔体液氦出口19通过位于绝热隔热组件中的二级热辐射屏内的液氦管路20与位于二级热辐射屏内的低温阀24的低温阀阀座34上的低温阀液氦入口21相连通，低温阀阀座34上的低温阀液氦出口22通过管路与样品腔组件中的样品腔夹层底部的样品腔液氦入口23相连通，样品腔夹层顶部的循环氦气出口46通过带有循环泵48的循环氦气管道63与制冷机腔体7上的循环氦气进气口53相连接。

上述的制冷机腔体7、制冷机腔体液氦出口19和低温阀液氦入口21之间的液氦管路20、低温阀阀座34的内腔流道、低温阀液氦出口22和样品腔液氦入口23之间的管道、样品腔组件中的样品腔夹层、循环氦气出口46和循环氦气进气口53之间的循环氦气管道63构成氦气循环系统。循环氦气流量控制通过上位机56调节循环泵48的流量实现，该循环泵48所在的循环氦气管道63的进气口支路与氦气储罐相连，进气口支路上设有循环回路充气阀49且通过循环回路充气接口50与氦气储罐相连。由于在液氦管路20上配置有能联动控制的液氦温度传感器61和液氦加热器62，液氦温度传感器61和液氦加热器62分别与温控仪57相连接，上位机56通过温控仪57对液氦温度传感器61和液氦加热器62进行PID闭环控制，精确控温；即循环氦气温度控制通过调节制冷机1的二级冷头后的液氦加热器62的功率实现。

如图2所示，弹性导热模块8由导热模块顶板9、柔性导热链10、弹簧11、导热模块底板12构成，导热模块顶板9与制冷机1的二级冷头直接接触、导热模块底板12与制冷机腔体底法兰6直接接触，导热模块底板12与导热模块顶板9之间通过弹簧11支撑、并通过柔性导热链10热耦接。

如图1所示，低温阀24由低温阀调控机构25、低温阀波纹管26、低温阀常温法兰27、低温阀阀杆28、低温阀外壁29、低温阀导向块30、低温阀阀针33、低温阀阀座34等零件组成；低温阀24依次通过低温阀一级热沉31与一级热辐射屏法兰15热藕接、通过低温阀二级热沉32和二级热辐射屏法兰17热藕接。低温阀调控机构25调控低温阀24的开度调节主要是调节低温阀阀针33与低温阀阀座34间的配合间隙，由于低温阀调控机构25与上位机56通讯连接，故上位机56通过低温阀调控机构25设定低温阀24的低温阀阀针33的行程，低温阀调控机构25能够向上位机56反馈低温阀阀针33的行程。当增大低温阀24的开度时，低温阀阀针33上行，使得低温阀阀针33与低温阀阀座34的针孔配合变松、间隙增大；减小低温阀24的开度时，低温阀阀针33下行，使得低温阀阀针33与低温阀阀座34的针孔配合紧密、间隙减小。上述间隙大小与低温阀24的流阻大小呈正相关，通过低温阀阀针33的调节，可实现低温阀24的流阻调节，从而实现液氦/气氦流量的调节功能。例如：在低温环境下，适当调小低温阀24的开度，间隙减小，流阻增大，可降低节流后的液氦温度。

需要说明的是，低温阀24可由多路可调流阻的管路替代。

低温制冷系统运行时，微正压的氦气由循环氦气进气口53进入制冷机腔体7，依次与制冷机1的一级冷头、二级冷头接触换热并液化，液氦自制冷机腔体液氦出口19经液氦管路20进入低温阀液氦入口21；液氦经低温阀24减压膨胀，成为温度更低的气液混合氦流，然后流出低温阀24自样品腔液氦入口23进入样品腔外筒35与样品腔内筒36间的样品腔夹层，自下而上地与样品腔换热，升温后的氦气由样品腔夹层上端的循环氦气出口46被循环泵48抽出并根据实际情况确定是否加压，通过循环氦气管道63重新输送至制冷机腔体7上的循环氦气进气口53，至此完成了一个制冷循环。此外，当装置长时间运行后，液氦增多、氦气压降低，此时打开循环回路充气阀49，从循环回路充气接口50处为循环回路补充氦气，维持低温制冷系统的正常运行。

另外在循环氦气管道63上还设置有监控循环氦气流量的流量计58和监控循环氦气压力的循环氦气压力传感器59，流量计58和循环氦气压力传感器59分别与上位机56相连接，以反馈循环氦气的流量和压力；流量计58位于循环氦气管道63上的循环泵48的出气口后侧、循环氦气压力传感器59位于循环氦气管道63上的循环泵48的进气口前侧。

如图1所示，绝热隔热组件包括真空腔体、一级热辐射屏和二级热辐射屏，其中真空腔体由真空腔体法兰13和真空腔体筒体14组合而成，且真空腔体筒体14的底部局部下凸；由一级热辐射屏筒体16和一级热辐射屏法兰15组合而成的一级热辐射屏悬浮在真空腔体中，且一级热辐射屏上设有自一级热辐射屏法兰15向下穿过一级热辐射屏筒体16的底部并延伸至真空腔体筒体14的下凸部的一级热辐射屏下延段39，一级热辐射屏下延段39伸出真空腔体筒体14底部的部分和真空腔体筒体14的下凸部构成绝热隔热下沉腔；由二级热辐射屏筒体18和二级热辐射屏法兰17组合而成的二级热辐射屏悬浮在一级热辐射屏中。真空腔体法兰13与真空腔体筒体14连接后形成的真空腔体通过真空泵60进行抽真空处理，降低装置内部与外界环境因气体导热产生的漏热。热辐射屏筒体及其法兰均采用高导热材料并进行降低表面发射率处理，如此，辐射漏热过程被隔断，系统的辐射漏热量大大降低；一级热辐射屏下延段39包裹样品腔底筒40，以避免样品高温状态下的热辐射对装置主体产生影响。

在此基础上，通过在一级热辐射屏和二级热辐射屏上分别设置温度监控点，温度监控点处设置的温度传感器分别与温控仪57相连接，以将实时监测的温度反馈至上位机56；由于真空腔体配置的真空泵60与上位机56相连接，使得上位机56能够通过真空泵60控制真空腔中的真空度。

样品腔组件自上而下分别包括样品杆41、样品杆法兰42、样品腔法兰37、样品腔外筒35、样品腔内筒36、样品杆杆体43、杆体热辐射屏44、氦气腔45、样品腔底筒40。样品腔组件通过样品腔一级热沉38热耦接在一级热辐射屏法兰15上；样品杆41的样品杆杆体43插入样品腔内筒36和样品腔底筒40中且样品杆41通过样品杆法兰42固定在样品腔法兰37上；样品杆杆体43上设有多个平行设置的热辐射屏44，能够有效降低样品处的辐射漏热；因为样品腔底筒40及其配套结构相对于主体部分向下伸出，这样便于在样品位置施加外部影响，如磁场、中子束等。样品腔外筒36与样品腔内筒35间为样品腔夹层，且样品腔夹层的两端分别与样品腔液氦入口23以及循环氦气出口46相通；低温阀24后的低温氦气流经样品腔夹层、冷却样品腔内筒36，由于样品主要通过静态氦气导热，因此样品通过氦气腔45内充装的静态氦气与样品腔内筒36换热而被冷却，换热后的氦气从样品腔夹层上端的循环氦气出口46进入循环氦气管道63。

另外由于用于放置样品的样品杆杆体43上配置有样品温度传感器54和样品加热器55，样品温度传感器54和样品加热器55分别与样品温度控制系统中的温控仪57相连接，温控仪57通过线路与上位机56相连接，上位机56通过温控仪57对样品温度传感器54和样品加热器55进行PID闭环控制。同时位于样品腔内筒36顶端、用于控制静态氦气压的的静态氦气接口47连通的静态氦气管道上设有监控静态氦气压的静态氦气压力传感器64，该静态氦气压力传感器64与上位机56相连接以反馈静态氦气的压力；当静态氦气管道内的静态氦气压力需要调控时，通过静态氦气充气阀51和静态氦气充气接口52可调节氦气腔45内的静态氦气的压力，从而调节样品与外界的换热量。

本发明提供的样品温度控制系统能够进行低温-高温温区分段式温度控制。其中2-300K为低温温区、300-800K为高温温区，两个温区采用不同的控温模式。该温度控制系统由上位机56、温控仪57、低温阀调控机构25、流量计58、循环氦气压力传感器59、真空泵60、静态氦气压力传感器64、循环泵48构成，且温控仪57分别采用PID闭环控制样品温度传感器54和样品加热器55、液氦温度传感器61和液氦加热器62。上位机56总览控制，根据反馈数据设定目标值；样品温度控制系统的操纵变量包括低温阀24的开度、循环氦气的流量及温度、循环氦气压和静态氦气压、样品杆杆体43上的样品加热器55的功率。低温-高温温区又划分为很多个小温区，每个小温区设定有不同的控制参数，配合上位机的统筹控制，实现各温区段间的平滑过渡，最终实现装置的连续变温且样品温度变化速率可调。

本发明的装置在进行2-300K的低温温区控制时，首先通过静态氦气管道上的静态氦气充气阀51及连通静态氦气管道的静态氦气充气接口52，控制存放样品的氦气腔45内的气压在200-500Pa，确保静态氦气具有良好的导热性；其次，通过操控低温阀调控机构25，减小低温阀24的开度，确保液氦管路20中的液氦能够充分节流降温；节流后的低温循环氦气冷却样品腔内筒36，通过静态氦气导热为样品降温；样品处设有样品温度传感器54及样品加热器55，由PID闭环控制，当样品温度低于设定值时，样品加热器55便会加热样品，直至温度达到设定值。

本发明的装置在进行300-800K的高温温区控制时，样品由PID控制的样品加热器55加热，达到设定高温区温度。为防止装置的主体部分受样品高温影响而发生损坏，需要对高温样品进行隔热处理以及对样品腔进行冷却。首先通过静态氦气管道上的静态氦气充气阀51及连通静态氦气管道的静态氦气充气接口52，控制存放样品的氦气腔45内的气压在1Pa以下，此时静态氦气处于分子流状态，确保高温样品能通过静态氦气传导出的热量极小，仿真计算总漏热量低于15W，与实际测试基本吻合；其次通过操控低温阀调控机构25，增大低温阀24的开度，减小氦气流动阻力，氦气流量仅需约2标升/分钟即可有效冷却样品腔壁。系统通过调节循环氦气的温度及流量来控制样品腔壁面温度低于室温，循环氦气流量控制通过调节循环泵48的流量实现，氦气量不足则通过循环回路充气接口50补气；循环氦气温度控制通过调节制冷机1的二级冷头后的液氦加热器62的功率实现，且液氦加热器62和液氦温度传感器61采用PID闭环控制，精确控温。

需要说明的是，在温度为300K的节点时，本发明的装置既可选择低温温区控制方式、亦可选择高温温区控制方式。

本发明的样品温度控制系统在进行低温温区控制时，样品腔内的静态氦气压力控制在200-500Pa范围内，低温阀24的开度较小，制冷机1液化循环氦气，液氦节流获得更低温并以样品腔内的静态氦气为导热介质给样品降温，此过程搭配PID闭环控制的样品加热器55联合工作，最终实现对样品的精确控温。样品温度控制系统在进行高温温区控制时，样品腔内的静态氦气压力控制在1Pa以下，低温阀24的开度较大，样品腔内的静态氦气处于分子流状态，样品腔与样品间的热量传递极小；样品由样品加热器55加热，样品加热器55采用PID闭环控制以实现精确控温；为防止样品腔壁面过热而损坏装置，系统通过调节与之换热的循环氦气的温度及流量来控制样品腔壁面温度。上述样品温度控制系统具备应急处理功能，当温控仪57反馈的温度超出安全区域后立即切断样品加热器55的输出；即除样品位置外，装置的其余温度监控点一旦超过常温一定程度，样品温度控制系统即会报警，切断样品加热器55的电源，避免装置损坏。

具体来说，当本发明的装置进行高温温区控制时，循环氦气流量控制通过调节循环泵48流量实现，该循环泵48所在的循环氦气管道63的进气口支路与氦气储罐相连；循环氦气温度控制通过调节制冷机1的二级冷头后的液氦加热器62功率实现，且液氦加热器62和液氦温度传感器61采用PID闭环控制，精确控温。

以上实施例仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明保护范围之内；本发明未涉及的技术均可通过现有技术加以实现。

Claims (10)

1.一种可进行宽温区连续变温控制的恒温器装置，其特征在于：该装置包括低温制冷系统、样品腔组件、绝热隔热组件和样品温度控制系统，样品腔组件中用于放置样品的样品杆杆体（43）上配置有样品温度传感器（54）和样品加热器（55），样品温度传感器（54）和样品加热器（55）分别与样品温度控制系统中的温控仪（57）相连接，温控仪（57）通过线路与上位机（56）相连接，上位机（56）通过温控仪（57）对样品温度传感器（54）和样品加热器（55）进行PID闭环控制；所述样品腔组件中的用于控制静态氦气压的静态氦气接口（47）连通的静态氦气管道上设有监控静态氦气压的静态氦气压力传感器（64），该静态氦气压力传感器（64）与上位机（56）相连接以反馈静态氦气的压力。

2.根据权利要求1所述的可进行宽温区连续变温控制的恒温器装置，其特征在于：所述低温制冷系统中的低温阀（24）上配置有与上位机（56）通讯连接的低温阀调控机构（25），上位机（56）通过低温阀调控机构（25）设定低温阀（24）的低温阀阀针（33）的行程，低温阀调控机构（25）能够向上位机（56）反馈低温阀阀针（33）的行程。

3.根据权利要求1所述的可进行宽温区连续变温控制的恒温器装置，其特征在于：所述低温制冷系统中的液氦管路（20）上配置有能联动控制的液氦温度传感器（61）和液氦加热器（62），液氦温度传感器（61）和液氦加热器（62）分别与温控仪（57）相连接，上位机（56）通过温控仪（57）对液氦温度传感器（61）和液氦加热器（62）进行PID闭环控制。

4.根据权利要求1所述的可进行宽温区连续变温控制的恒温器装置，其特征在于：所述低温制冷系统中的循环氦气管道（63）上设置有监控循环氦气流量的流量计（58）和监控循环氦气压力的循环氦气压力传感器（59），流量计（58）和循环氦气压力传感器（59）分别与上位机（56）相连接，以反馈循环氦气的流量和压力；所述的流量计（58）位于循环氦气管道（63）上的循环泵（48）的出气口后侧；所述的循环氦气压力传感器（59）位于循环氦气管道（63）上的循环泵（48）的进气口前侧。

5.根据权利要求1所述的可进行宽温区连续变温控制的恒温器装置，其特征在于：所述绝热隔热组件中的一级热辐射屏和二级热辐射屏上分别设置有温度监控点，温度监控点处设置的温度传感器分别与温控仪（57）相连接，以将实时监测的温度反馈至上位机（56）；所述绝热隔热组件中的真空腔体配置有真空泵（60），该真空泵（60）与上位机（56）相连接，使得上位机（56）能够通过真空泵（60）控制真空腔体中的真空度。

6.根据权利要求1所述的可进行宽温区连续变温控制的恒温器装置，其特征在于：所述绝热隔热组件的局部下凸构成绝热隔热下沉腔以容纳样品腔组件中的样品腔底筒（40），样品腔组件中的样品杆杆体（43）伸至样品腔底筒（40）内。

7.根据权利要求1-6任一所述的可进行宽温区连续变温控制的恒温器装置，其特征在于：所述的绝热隔热组件包括真空腔体、一级热辐射屏和二级热辐射屏，其中真空腔体由真空腔体法兰（13）和真空腔体筒体（14）组合而成，且真空腔体筒体（14）的底部局部下凸；由一级热辐射屏筒体（16）和一级热辐射屏法兰（15）组合而成的一级热辐射屏悬浮在真空腔体中，且一级热辐射屏上设有自一级热辐射屏法兰（15）向下穿过一级热辐射屏筒体（16）的底部并延伸至真空腔体筒体（14）的下凸部的一级热辐射屏下延段（39），一级热辐射屏下延段（39）伸出真空腔体筒体（14）底部的部分和真空腔体筒体（14）的下凸部构成绝热隔热下沉腔；由二级热辐射屏筒体（18）和二级热辐射屏法兰（17）组合而成的二级热辐射屏悬浮在一级热辐射屏中。

8.根据权利要求1-6任一所述的可进行宽温区连续变温控制的恒温器装置，其特征在于：所述的低温制冷系统包括制冷机（1）、制冷机腔体（7）、低温阀调控机构（25）控制的低温阀（24）以及氦气循环系统，制冷机（1）的冷头插入制冷机腔体（7）中且制冷机（1）和制冷机腔体（7）采用压接实现热耦接，制冷机（1）的二级冷头处设有弹性导热模块（8）与制冷机腔体（7）的制冷机腔体底法兰（6）实现热耦接；制冷机腔体（7）底部的制冷机腔体液氦出口（19）通过位于绝热隔热组件中的二级热辐射屏内的液氦管路（20）与位于二级热辐射屏内的低温阀（24）的低温阀阀座（34）上的低温阀液氦入口（21）相连通，低温阀阀座（34）上的低温阀液氦出口（22）通过管路与样品腔组件中的样品腔夹层底部的样品腔液氦入口（23）相连通，样品腔夹层顶部的循环氦气出口（46）通过带有循环泵（48）的循环氦气管道（63）与制冷机腔体（7）上的循环氦气进气口（53）相连接，制冷机腔体（7）、制冷机腔体液氦出口（19）和低温阀液氦入口（21）之间的液氦管路（20）、低温阀阀座（34）的内腔流道、低温阀液氦出口（22）和样品腔液氦入口（23）之间的管道、样品腔组件中的样品腔夹层、循环氦气出口（46）和循环氦气进气口（53）之间的循环氦气管道（63）构成氦气循环系统。

9.根据权利要求8所述的可进行宽温区连续变温控制的恒温器装置，其特征在于：所述的弹性导热模块（8）由导热模块顶板（9）、柔性导热链（10）、弹簧（11）、导热模块底板（12）构成，导热模块顶板（9）与制冷机（1）的二级冷头直接接触、导热模块底板（12）与制冷机腔体底法兰（6）直接接触，导热模块底板（12）与导热模块顶板（9）之间通过弹簧（11）支撑、并通过柔性导热链（10）热耦接。

10.根据权利要求1-6任一所述的可进行宽温区连续变温控制的恒温器装置，其特征在于：所述的样品腔组件包括样品腔外筒（35）、样品腔内筒（36）、作为样品腔内筒（36）延伸段的样品腔底筒（40）、样品腔法兰（37）、样品杆（41）、样品杆法兰（42），样品杆（41）的样品杆杆体（43）插入样品腔内筒（36）和样品腔底筒（40）中且样品杆（41）通过样品杆法兰（42）固定在样品腔法兰（37）上；所述样品杆杆体（43）上均布有杆体热辐射屏（44）；所述的样品腔外筒（35）和样品腔内筒（36）之间构成样品腔夹层，低温阀（24）后的低温氦流流经样品腔夹层来给样品腔内筒（36）和样品腔底筒（40）构成的氦气腔（45）降温，并从样品腔夹层上端的循环氦气出口（46）进入循环氦气管道（63）。

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