一种可进行宽温区连续变温控制的恒温器装置制造方法及图纸

本发明专利技术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）。本发明专利技术的装置能够在2

【技术实现步骤摘要】
一种可进行宽温区连续变温控制的恒温器装置


[0001]本专利技术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。

技术介绍

[0002]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。
[0003]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。

技术实现思路

[0004]本专利技术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。
[0005]本专利技术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。
[0006]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。
[0007]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。
[0008]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。
[0009]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。
[0010]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。
[0011]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。
[0012]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。
[0013]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。
[0014]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。
[0015]本专利技术相比现有技术有如下优点：本专利技术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。
[0016]本专利技术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，起到本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
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
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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...

【专利技术属性】
技术研发人员：李海波，李艳锋，蔡旭东，代永光，
申请(专利权)人：中船重工鹏力南京超低温技术有限公司，
类型：发明
国别省市：