[发明专利]常压封闭氦气吸附式低温热开关

说明书

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。