[其他]可控热开关恒温器

说明书

本发明涉及一种可控热开关恒温器。

目前用于科学研究中的低温恒温器，按工作范围可分为两大类，一类用于极低温度实验，有各种致冷机型以及液氮容器型，低温限在35K、10K、4.2K或mK;另一类的使用范围为77K-370K，即低温限在液氮温度。按冷却方式，后一类恒温器又分为三种。第一种是让液氮在围绕样品的热交换管内流过，使液氮与样品交换热量;第二种是将液氮加热汽化，让汽化后的冷氮气流过样品，与样品直接交换热量。第三种方式是将液氮储存在液池中，用一根热导适当的导热杆将加热器和样品与液池连接起来，其中导热杆是这类恒温器中的关键部件。

反映该项技术的文件：

〔1〕G.H.Lesch，etal.IEEEJ.Q.E.

QE-12（1976）83

现有这类恒温器中热导杆一经制成，它的热导就不能改变，故一根热导杆不能同时满足快速升温和快速降温的要求。如果采用热导大的导热杆，可使降温速度快，但升温时需要供给加热器很大的电功率，同时耗费大量的液氮;如果采用热导小的导热杆，升温容易，但降温却十分缓慢。例如：文献〔1〕中所介绍的恒温器，从室温降至-180℃约需6小时。

本发明的任务是用可控热开关代替导热杆，使这类恒温器升、降温速度加快，控温稳定和节省液氮。

本发明的任务是以如下方式完成的：用热导很小的薄壁细金属管，称为输液管，它与恒温器中储液池的（称为大液池）底部连通，输液管的下端与一个热导好的金属密封容器（称为小液池）的下部连通，小液池的上部连着排气管，在排气管的出口处装有控制阀。导热良好的加热器安装在小液池上，样品安装在加热器上。为了减少系统与外界的热交换，在大、小液池、输液管、排气管、加热器以及样品的外壁与周围环境间有一个隔热区。

图1是可控热开关恒温器的一种结构原理图。

图2是可控热开关恒温器的另一种结构原理图。

图3是可控热开关恒温器用于光学实验的一个实例。

结合图1来说明可控热开关恒温器的工作原理，图中的〔1〕为大液池，内装有致冷液（如液氮）。小液池〔2〕由导热良好的金属制成，排气管〔3〕和输液管〔4〕是薄壁细金属管。当把控制阀〔6〕关断时，小液池〔2〕、排气管〔3〕、输液管〔4〕中的气体不能经控制阀〔6〕排出。尽管在细金属管〔4〕内液体受到向下的重力大于向上的表面张力，但由于液池〔2〕、排气管〔3〕、输液管〔4〕中已充满了气体，大液池〔1〕的液体不能通过输液管〔4〕进入小液池〔2〕中。这时样品〔8〕只能靠热导很小的细管〔3〕和〔4〕的传导作用与外界交换热量，因此，热交换速率很低，给加热器〔9〕加很小的电功率就能使样品迅速升温。

当控制阀〔6〕全开通时，在输液管〔4〕内作用在液体上的向下的重力大于向上的表面张力，大液池〔1〕内的液体会经过输液管〔4〕流入小液池〔2〕中，迫使原来占据小液池〔2〕、排气管〔3〕输液管〔4〕的气体经控制阀〔6〕排出，并在小液池〔2〕、输液管〔4〕中充满液体。这时样品〔8〕很容易与小液池〔2〕中的致冷液交换热量，使小液池〔2〕中的致冷液汽化经排气管〔3〕和控制阀〔6〕排出，样品〔8〕迅速降温。如果再将控制阀〔6〕关断，在小液池〔2〕内汽化后的气体会逐渐充满排气管〔3〕和小液池〔2〕，并将小液池〔2〕内尚未汽化的液体压回〔1〕中，这时样品〔8〕又重新处于与外界热交换少的状态。

如果使控制阀〔6〕处于局部启开的状态，大液池〔1〕中的液体会以相应的速率流入小液池〔2〕中，液体在小液池〔2〕中汽化时将部分热量带走，使样品〔8〕缓慢降温。

可见，控制阀〔6〕的状态（关断、全开通或不同程度的开通）能控制样品与外界交换热量的速率。

在图2中，用热交换管〔12〕（此管各部分的粗细和材料可以不同）代替图1中的输液管、小液池和排气管。连接座〔13〕既为样品与致冷液进行热交换提供了良好的通路、又起着支撑加热器和样品的作用，其工作原理与图1相同。

可控热开关恒温器完成从室温到-185℃的变温过程仅需40分钟;从-185℃升到室温约需30分钟;并可在-185℃～100℃的温度范围内的任意温度上恒温;当隔热真空区的真空度为10^-6Torr恒温器工作于恒温状态时，液氮消耗率为0.3升/小时。