CN114526562A - 一种带有被动式控温结构的低温恒温器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种带有被动式控温结构的低温恒温器，包括低温回热式气体制冷机（5），所述低温回热式气体制冷机（5）的末级冷头和样品腔（3）之间设置有作为导冷结构的被动式控温结构，该被动式控温结构为装有定容气体（1c）的定容气体单元（1）、热阻材料、热容材料中的一种或多种的组合；低温回热式气体制冷机（5）的冷量从末级冷头导出，通过被动式控温结构到达样品腔（3）中的样品，使得样品处的温度波动幅度减小至1mK量级。本发明的低温恒温器通过配置作为导冷结构的被动式控温结构，能抑制低温制冷机本身产生的温度波动、提高低温制冷机冷头的温度稳定性，还可改变材料种类或尺寸大小来实现不同的温度稳定要求。
Description
技术领域
本发明属于低温恒温器技术领域，具体地说是一种带有被动式控温结构的低温恒温器。
背景技术
低温冷冻靶、低温温度传感器标定以及超低磁体等应用中，温度往往需要在深低温环境下进行，此类应用的冷源除了液氦外，最常见的还有GM制冷机、脉管制冷机、斯特林制冷机等。这些低温制冷机都属于低温回热式气体制冷机，其工作方式决定了制冷机在运行时必然存在不可避免的温度波动，这对于控温稳定性要求极高的应用场合是不允许的。
一般来说，未实施任何控制措施的小型商用GM制冷机和脉管制冷机二级冷头在4.2K时的温度波动幅度分别在200mK和50mK量级，而上述应用中，温度稳定性需要达到1mK甚至0.1mK量级。
发明内容
本发明的目的是针对冷头存在的温度波动幅值大的问题，提供一种带有被动式控温结构的低温恒温器，该种低温恒温器能够抑制低温制冷机本身产生的温度波动、并提高低温制冷机冷头的温度稳定性，从而用于实现控温精度满足实际应用需求；并且如果再结合主动控温系统，能够得到级别更高的恒温器样品温度稳定性。
本发明的目的是通过以下技术方案解决的：
一种带有被动式控温结构的低温恒温器，包括低温回热式气体制冷机，其特征在于：所述低温回热式气体制冷机的末级冷头和样品腔之间设置有作为导冷结构的被动式控温结构，该被动式控温结构为装有定容气体的定容气体单元、热阻材料、热容材料中的一种或多种的组合；低温回热式气体制冷机的冷量从末级冷头导出，通过被动式控温结构到达样品腔中的样品，使得样品处的温度波动幅度减小至1mK量级。
关于该被动式控温结构为装有定容气体的定容气体单元、热阻材料、热容材料中的一种或多种的组合，该句话所表述的技术方案包括：该被动式控温结构为装有定容气体的定容气体单元、或者该被动式控温结构为热阻材料、或者该被动式控温结构为热容材料、或者该被动式控温结构为装有定容气体的定容气体单元和热阻材料的叠加或者反之、或者该被动式控温结构为装有定容气体的定容气体单元和热容材料的叠加或者反之、或者该被动式控温结构为热阻材料和热容材料的叠加或者反之、或者该被动式控温结构为装有定容气体的定容气体单元与热阻材料和热容材料的依序叠加、或者该被动式控温结构为装有定容气体的定容气体单元与热容材料和热阻材料的依序叠加、或者该被动式控温结构为热阻材料与装有定容气体的定容气体单元和热容材料的依序叠加、或者该被动式控温结构为热阻材料与热容材料和装有定容气体的定容气体单元的依序叠加、或者该被动式控温结构为热容材料与装有定容气体的定容气体单元和热阻材料的依序叠加、或者该被动式控温结构为热容材料与装有定容气体的定容气体单元和热阻材料的依序叠加。
所述的定容气体为氦气，氦气的工作压力根据所需导冷温度进行针对调节。
所述的热阻材料为不锈钢、玻璃纤维材料、聚四氟乙烯中的一种，所述的热容材料为无氧铜或铅；热阻材料和热容材料的尺寸大小根据需要到达的控温精度进行微调。
所述的热阻材料和热容材料能够单独使用或层叠在一起使用。
装有定容气体的定容气体单元、热阻材料、热容材料的材料安装位置能够相互调整，但是得保证接合紧密，接合面上可以加铟片，真空导热脂等减小接触热阻的材料，尽量加强传热。
所述的定容气体单元包括定容腔体、充气单元和定容气体，在定容腔体上连通有充气单元，充气单元用于向定容腔体内充入设定工作压力的定容气体。
所述低温回热式气体制冷机的末级冷头和被动式控温结构的结合面上、以及被动式控温结构和样品腔的结合面上添加有铟片或真空导热脂。
所述低温回热式气体制冷机的末级冷头和样品腔之间设置有被动式控温结构时，在低温回热式气体制冷机的末级冷头和样品腔处配置有主动控温系统，温控仪、加热棒和温度传感器等构成的主动控温系统，能够提高控温精度、减小温度波动幅值；被动式控温结构和主动控温系统相互配合能够将样品处的温度波动幅度减小至0.1mK量级。
所述低温回热式气体制冷机的末级冷头和样品腔之间设置有被动式控温结构时，且低温回热式气体制冷机和真空罩之间采用波纹管连接时，在波纹管处连接有充气单元，波纹管围成的空腔与制冷机冷头活塞筒构成具有减振作用的定容腔体，该种定容腔体能够隔绝低温回热式气体制冷机的的冷头向样品处传递的振动。
所述的低温恒温器中，加入被动式控温结构后，在减小冷头温度波动幅值的同时，会影响样品处的最低温度值、降温时间以及冷量。
本发明相比现有技术有如下优点：
本发明的低温恒温器通过配置作为导冷结构的被动式控温结构，能够抑制低温制冷机本身产生的温度波动、提高低温制冷机冷头的温度稳定性，同时，通过改变被动式控温结构的材料种类或尺寸大小来实现不同的温度稳定要求；并且结合主动控温系统，能够得到级别更高的恒温器样品温度稳定性。
附图说明
附图1为本发明的实施例一提供的带有被动式控温结构的低温恒温器的结构示意图；
附图2为本发明的实施例二提供的带有被动式控温结构的低温恒温器的结构示意图；
附图3为本发明的组合型被动式控温结构的示意图；
附图4为本发明的定容气体单元的结构示意图；
附图5为本发明的单层、双层和四层的热阻材料或热容材料的结构示意图。
其中：1—定容气体单元；1a—充气单元；1b—定容腔体；1c—定容气体；2—热阻材料或热容材料；2a—单层热阻材料或热容材料；2b—两层热阻材料或热容材料；2c—四层热阻材料或热容材料；3—样品腔；4—真空罩；5—低温回热式气体制冷机；6—波纹管；7—一级换热器；8—二级换热器；9—制冷机支撑；10—真空罩支撑。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清除、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部门实施例，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作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。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“开孔”、“上”、“下”、“厚度”、“顶”、“中”、“长度”、“内”、“四周”等指示方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的组件或元件必须具有特定的方位，以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
被动式控温结构为装有定容气体的定容气体单元、热阻材料、热容材料中的一种或多种的组合。如图3所示，箭头方向为冷头冷量向样品处传导路径，被动式控温结构沿着传导方向布置，定容气体单元1和热阻或热容材料2的先后顺序不固定，定容气体单元1、热阻或热容材料2之间的接合面需要减小接触热阻，可以在接合面上垫铟片或涂真空导热脂来增强换热。
定容气体单元1的常规结构如图4所示，定容气体单元1由充气单元1a、定容腔体1b、定容气体1c组成，充气单元1a需要具备抽真空、充气、控制压力、安全阀等部件或功能，能够在系统工作时或之前向定容腔体1b中充入设计压力的定容气体1c；同时，在定容腔体1b中，沿着导冷方向，两头需要加传热面积足够的翅片，低温在定容腔体1b中的一侧并通过该侧的翅片和定容气体1c之间的自然对流换热，低温传导到定容气体1c内，再通过定容气体1c和另一侧的翅片之间的自然对流换热、将低温传导到定容腔体1b的另一侧，完成温度传导过程。该种常规结构的定容气体单元1设置在低温回热式气体制冷机5的末级冷头和样品腔3之间作为被动式控温结构。
由于热阻材料或者热容材料皆为固态，所以为了图示方便易懂，采用热阻或热容材料2来指代热阻材料或者热容材料。几种结构的热阻或热容材料2如图5所示，箭头方向为冷头冷量向样品处传导路径，热阻或热容材料2安装在冷量的传导方向上。热阻或热容材料2可由单层热阻材料或热容材料2a构成、也可由表示两层热阻或热容材料2b构成、或者是四层热阻或热容材料2c构成，同一层的材料相同,不同层的材料可相同、亦可不同，如一层为热阻材料、相邻层为热容材料且用压接或胶粘的方式连接起来组成多层的热阻或热容材料2。选择热阻材料、还是选择热容材料的主要依据是设计所需要达到的温度稳定性。本发明中，一般认为热容材料或热阻材料的厚度和种类随着温度稳定性要求的不断提高而增加，即增加热阻材料或热容材料的厚度有益于提高温度的稳定性。但是，增加热阻材料或热容材料的厚度会带来样品的最低温度、降温速率和冷量的影响，应综合设计考虑。
低温回热式气体制冷机5的冷头存在温度波动，设定二级冷头的温度用正弦函数来表示，因此假定二级冷头的温度为：T(0,t)＝T0sinωt+Tm，其中T(0,t)为二级冷头温度，T0为二级冷头初始温度，ω为导冷结构的振动频率，Tm为温度扰动；温度沿着导冷结构向样品处传导，假设二级冷头初始温度为4.2K，通过分离变量解偏微分方程
其中
为温度对时间的取导，a为导冷结构的热扩散系数，
为温度对位置x的二次导，得到垂直距离二级冷头x处的温度为：
其中T(x,t)为垂直距离二级冷头x处在t时间时的温度，Tm(x)为垂直距离二级冷头x处的温度扰动，δk为一个无量纲数，
a为导冷结构的热扩散系数、ω为导冷结构的振动频率。其中：a＝λ/ρc，λ为导冷结构的导热系数、ρ为导冷结构的密度、c为导冷结构的热容。从上述各公式中分析得到：增大导冷结构的比热容或者减小其导热系数都能够有效降低低温回热式气体制冷机5的温度波动的幅值，进而提高被测样品的温度稳定性，同时，导冷结构做的长一些也有利于减小温度波动的幅值。本发明中的定容气体单元1、热容材料或热阻材料构成的被动式控温结构就是增加导冷结构的热阻以减小导热系数、或增大导冷结构的热容，来减小温度波动的幅值。
含有上述被动式控温结构的低温恒温器的结构示意图如图1、2所示。
实施例一
请参考图1，本发明实施例示出的一种带有被动式控温结构的低温恒温器。图1中能够看出，整个低温恒温器采用垂直安装形式，把被动式控温结构安装在低温回热式气体制冷机5的二级冷头和样品腔3之间，该被动式控温结构由定容气体单元1和热阻材料或热容材质2组合构成，冷量依次经过定容腔体1b的顶壁、定容气体1c、定容腔体1b的底壁、热阻或热容材料2，最后达到样品腔3中的样品处。在安装过程中，在低温回热式气体制冷机5的二级冷头下面连接上定容气体单元1和热阻材料或热容材质2组合构成的被动式控温结构，需要在各个部件连接处加入铟片或真空导热脂，并保证充分接触。通过实际设计和结果测得，上述设置增加了导冷结构上的热容和热阻，以及增加二级冷头到样品的距离，使得二级冷头处200mK的温度波动幅值减小到样品处的1mK左右。实施例一中的定容气体1c、热阻或热容材料2是根据样品处设计温度的波动来选型和配比，具体应用情况应根据实际要求而变化。
同时，在实施例一中，在系统工作时开启主动控温系统，样品处的温度波动幅值将得到进一步降低。
实施例二
请参考图2，本申请的实施例二示出了一种具有特殊设计的定容腔体的带有被动式控温结构的低温恒温器。如图2所示，实施例二中的低温恒温器采用垂直安装形式，波纹管6围成的空腔与制冷机冷头活塞筒构成具有减振作用的定容腔体1b，并且一级冷头和二级冷头处分别对应设置有一级换热器7和二级换热器8，将低温回热式气体制冷机5的冷量通过气体传导至样品、冷屏、法兰等位置。定容腔体1b内充满定容气体1c，将低温回热式气体制冷机5和真空罩4以及样品腔3分开，两部分之间采用波纹管6连接，不存在刚性连接，减少低温回热式气体制冷机5的冷头振动向样品处传导；并且，两部分分别采用独立支撑--制冷机支撑9和真空罩支撑10，以进一步减少振动的传导，达到减振的效果。
在实施例二中，具有减振作用的定容腔体1b配合热阻材料或热容材料2作为导冷结构，热阻材料或热容材料2安装在定容腔体1b下方的二级换热器8的下面，将低温回热式气体制冷机5的冷量传导至样品腔3内的样品处。实际设计中能够得到，在不开启主动控温系统的温控仪情况下，冷头温度波动幅值200mK，样品处测得的温度波动幅值1mK。在图5所示的低温恒温器的二级冷头和样品腔3处增加加热棒，并通过两路温度控制进行主动式控温时，样品腔3内的样品处的温度波动幅值能够达到0.5mK。同时，由于特殊设计的定容腔体1b，样品腔3内的样品处的振动也得到很大的减少。
以上两个实施例均为采用被动式控温结构的低温恒温器，本发明所描述的被动式控温结构也可以应用到其它具有稳定波动要求严格的低温设备中，采用本发明中的被动控温结构，再结合合理的主动控温系统，能达到0.1mK级别的控温精度。
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 (9)
1.一种带有被动式控温结构的低温恒温器，包括低温回热式气体制冷机（5），其特征在于：所述低温回热式气体制冷机（5）的末级冷头和样品腔（3）之间设置有作为导冷结构的被动式控温结构，该被动式控温结构为装有定容气体（1c）的定容气体单元（1）、热阻材料、热容材料中的一种或多种的组合；低温回热式气体制冷机（5）的冷量从末级冷头导出，通过被动式控温结构到达样品腔（3）中的样品，使得样品处的温度波动幅度减小至1mK量级。
2.根据权利要求1所述的带有被动式控温结构的低温恒温器，其特征在于：所述的定容气体（1c）为氦气。
3.根据权利要求1所述的带有被动式控温结构的低温恒温器，其特征在于：所述的热阻材料为不锈钢、玻璃纤维材料、聚四氟乙烯中的一种。
4.根据权利要求1所述的带有被动式控温结构的低温恒温器，其特征在于：所述的热容材料为无氧铜或铅。
5.根据权利要求1所述的带有被动式控温结构的低温恒温器，其特征在于：所述的热阻材料和热容材料能够单独使用或层叠在一起使用。
6.根据权利要求1所述的带有被动式控温结构的低温恒温器，其特征在于：所述的定容气体单元（1）包括定容腔体（1b）、充气单元（1a）和定容气体（1c），在定容腔体（1b）上连通有充气单元（1a），充气单元（1a）用于向定容腔体（1b）内充入设定工作压力的定容气体（1c）。
7.根据权利要求1-6任一所述的带有被动式控温结构的低温恒温器，其特征在于：所述低温回热式气体制冷机（5）的末级冷头和被动式控温结构的结合面上、以及被动式控温结构和样品腔（3）的结合面上添加有铟片或真空导热脂。
8.根据权利要求1-6任一所述的带有被动式控温结构的低温恒温器，其特征在于：所述低温回热式气体制冷机（5）的末级冷头和样品腔（3）之间设置有被动式控温结构时，在低温回热式气体制冷机（5）的末级冷头和样品腔（3）处配置有主动控温系统，被动式控温结构和主动控温系统相互配合能够将样品处的温度波动幅度减小至0.1mK量级。
9.根据权利要求1-6任一所述的带有被动式控温结构的低温恒温器，其特征在于：所述低温回热式气体制冷机（5）的末级冷头和样品腔（3）之间设置有被动式控温结构时，且低温回热式气体制冷机（5）和真空罩（4）之间采用波纹管（6）连接时，在波纹管（6）处连接有充气单元（1a），波纹管（6）围成的空腔与制冷机冷头活塞筒构成具有减振作用的定容腔体（1b），该种定容腔体（1b）能够隔绝低温回热式气体制冷机（5）的的冷头向样品处传递的振动。
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