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  • 常压封闭氦气吸附式低温热开关

    合乐彩票平台注册送钱(申请号):CN201210009802.X
    合乐彩票平台注册送钱类型:发明合乐彩票平台注册送钱
    更新时间:2019-09-29 16:22:05
    技术领域:新能源与节能
    交易方式: 转让 交易状态: 未交易
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    常压封闭氦气吸附式低温热开关 技术领域 本发明涉及一种低温工程用热开关,特别涉及制冷机二级与控温台传热的热开关。 背景技术 在低温技术中,经常需要控温台可以从4K到300K,甚至是400K连续控温。要实现控温台冷到4K,就需要控温台与冷源有很好的热连接;但要将控温台升到高温时,又需要控温台与冷源热连接很差,这样才可以既可以以较小的加热功率就将控温台升到室温,同时,也不影响冷源的温度。使用液氦作为制冷源的控温系统,通过控制氦气的流量和加热功率很容易的在2~400K范围内控温,也不影响液氦的温度,从而不影响通过液氦保持超导态的超导磁体的使用。但是,由于液氦的短缺和操作上的不便,从而使无液氦制冷系统得到人们的青睐。 但是,无液氦制冷机的缺陷在于其冷头和控温台都处于真空中,这给他们之间的热传导带来很大困难。如果控温台和冷头热导很好,控温台很容易到达4K温度,但是,要将控温台控制在稍高温度时,冷头因热负载过大而温度上升,于是,制冷机冷却的超导磁体便无法工作了。如果控温台和制冷机的冷头热导比较差,则控温台无法到达比较低的温度。所以,无液氦制冷机需要一套在低温下热导好,高温下热导差的导热系统。 一种方法是制作两根导热杆,一个是高热导的,用于低温区,一个是低热导的,用于高温区。这种方法需要安装两次控温台,不仅操作不便,最重要的缺陷是带来温度变化的不连续。 还有常用的方法是使用氦气吸附式热开关。一般是利用活性炭等材料吸附或放出氦气来改变冷热端之间的热导。可以连续的从室温到4K的控温。它的缺点是,因氦气热导相对较小,所以,一旦控温台的热负载较大(如有室温连接的样品杆、带光学窗口的系统等等)控温台的最低温就会无法到达4K以下了。 发明内容 针对现有技术存在的问题,本发明的目的在于提供一种常压封闭氦气吸附式低温热开关,能够实现低温下有较大的热导率,并且操作简易安全。 为实现上述目的,本发明提供的一种常压氦气吸附式低温热开关包括: 储藏室,用于储存预定压力的氦气; 制冷单元,该制冷单元具有一级冷屏、二级冷屏和位于一级冷屏和二级冷屏之间的吸附室,所述储藏室通过毛细管与吸附室相导通,所述吸附室内放置有活性炭,在所述吸附室上还设置有所述吸附室内温度的温控装置; 热开关本体,具有外壳和套设在外壳内的冷端柱和热端柱,所述吸附室通过导管与冷端柱相连,所述冷端柱和热端柱之间具有适当的间隙。 所述储藏室与所述毛细管之间设置有控制氦气流量的阀门。 优选地,所述储藏室储存有1个大气压的氦气。优选地,所述吸附室设置在一个热屏蔽罩内。 优选地,所述间隙为20±10微米。 优选地,所述冷端柱与热端柱的长度比为4~7∶1。 优选地,所述冷端柱与热端柱的长度比为6∶1。 优选地,所述冷端柱和热端柱的材料为紫铜。 优选地,所述外壳为不锈钢材料。 优选地,所述温控装置包括加热器和温度计。 本发明热开关在“开”的状态时,能够保证有液氦存留在热开关本体内,并且,由于用于热交换的媒质——氦气——是处在常压下的并且是封闭的,所以是安全而且操作简易的;此外,本发明热开关能够保证绝热间隙在2~300K温区一直是适合的。 附图说明 图1为本发明结构示意图; 图2为热导、二级温度与控温台温度的关系; 图3为热开关“开”“关”两个态的降温速度比较。 1--储藏室、2--吸附室、3--热开关外壳、4--热开关冷端柱、5--控温台、6--脉冲管制冷机的一级冷屏、7--脉冲管制冷机的二级冷屏、8--冷、热端面间隙、9--热开关热端柱、10--阀门、11--吸附室的防辐射屏蔽罩、12--热开关本体、13--制冷单元、14--毛细管、15--不锈钢管 具体实施方式 下面结合附图一和具体实施方式来进一步说明。 如图1所示,本发明包括:热开关本体12、储藏室1和制冷单元(即制冷机)13,储藏室1置于室温环境,内充有一个大气压的氦气。制冷机13具有一级冷屏6、二级冷屏7和位于一级冷屏6和二级冷屏7之间的吸附室2。储藏室1通过毛细管14与吸附室2导通。吸附室2内部放有活性炭,热开关本体12具有外壳3和套设在外壳3内的冷端柱4和热端柱9,吸附室2通过不锈钢管1 5与热开关本体12的冷端柱4相连,冷端柱4和热端柱9之间具有适当的间隙。热端柱9接控温台5,悬空,可以接热负载或待测样品。 另外,在储藏室1和毛细管14之间设置有一个阀门10,用来控制进入热开关本体12的氦气量。毛细管14进入制冷机13内部,用环氧密封毛细管壁和制冷机13间的缝隙。毛细管14在一级冷屏6处可做热沉处理,而后毛细管14进入处在低温环境下的吸附室2。吸附室2上装有温度计和加热器,用以控制吸附室2的温度。吸附室2外部罩设有一个热屏蔽罩11,该热屏蔽罩11由高热导材料制作。热屏蔽罩11与制冷机二级冷屏7有较好热导,但是不与吸附室2有热的连接,目的是减少周围对吸附室2的辐射热。 本发明将储藏室1至于室温环境,且储藏室1的体积与低温部分体积(主要是指吸附室的体积,但是还包括热开关本体12及毛细管14的体积)在相同温度下,有较大体积比。这样,当热开关本体12处于低温时,能有足够的压力以保证液氦沸点不低于3K。这样,就可以在热开关本体12内部存留液氦,而液氦的对流、沸腾是其热导率很高的原因。此外,热开关本体12内部的导热体(即冷端柱)采用高导热率的材料紫铜,以保证冷端柱4和热端柱9的热阻只由他们之间的间隙8决定。热开关本体12的外壳选择热导率差而硬度强的材料,例如不锈钢,用于减少多余的热导和提供支撑。并且,冷端柱4与热端柱9的间隙为20微米,可以通过精细螺纹精确控制。另外,冷端柱4和热端柱9的长度比要大,也就是冷端要长,可以是4~7∶1,当然,最好是在6∶1附近,目的是当热端柱9温度很高时,绝热间隙不会减少很多。这样,控温端就能够保证从4K到300K连续变温。而冷热端面采用柱面式,这样加工工艺简单,也便于绝热间隙的控制。 下面通过具体实例来对本发明做进一步说明。 储藏室1放置于室温环境,内有一个大气压的氦气。阀门10打开状态时,储藏室1的氦气可以通过毛细管14自由的进出吸附室2和热开关本体12。吸附室2材料为紫铜,通过一长约6厘米的φ3X0.5的不锈钢管与冷端柱4连接。吸附室2外围有一热屏蔽罩11,热屏蔽罩11材料为紫铜,直接安装在二级冷屏7上,不与吸附室2接触。吸附室2内部装有活性炭11克,外表面装有温度计、加热器。热开关本体12的外壳直接固定在二级冷屏7上,热开关本体12内部冷、热端柱材料为紫铜,且表面镀金,冷端柱4长60mm,热端柱9长10mm,直径均为10mm,外壳3为φ12.8X0.3的304不锈钢。冷端柱4和热端柱9与不锈钢外壳3接触部分均为精细螺纹结构,因而可以保证冷端柱4和热端柱9端面间距在室温时为20微米。热端柱9与控温台5是一体的,控温台5悬空,可以接负载。整个热开关系统是封闭的,漏率小于10-9Pa·L·S。 在不运行时,阀门10处于开着的状态,随着温度的降低,氦气逐渐被活性炭吸附,等到吸附室2达到10K以下时,关闭阀门10。将吸附室2升温至40K,此时,氦气从吸附室2出来,此为热开关“开”的状态。二级的温度为2.8K,所以,会形成液氦存在热开关本体12内部,因而有很高的热导率。如图2、3所示,通过温度和热导曲线,可以清楚的看到,在沸点附近,热导最高,可达0.3W/K;冷却吸附室2,可以达到6K,此时,氦气被活性炭吸附,因而热开关内部是真空态,热导很差。此为热开关“关”的状态。可以轻松的控温300K,而二级的温度还低于4.5K。附图二是具体实施方案的。 尽管上文对本发明的具体实施方式通过实例进行了详细的描述和说明,但应该指明的是,本领域的技术人员可以对上述实施方式进行各种改变和修改,但这些都不脱离本发明的精神和权利要求所记载的范围。

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