專利名稱:可控?zé)衢_關(guān)恒溫器的制作方法
本發(fā)明涉及一種可控?zé)衢_關(guān)恒溫器。
目前用于科學(xué)研究中的低溫恒溫器，按工作范圍可分為兩大類，一類用于極低溫度實驗，有各種致冷機型以及液氮容器型，低溫限在35K、10K、4.2K或mK;另一類的使用范圍為77K-370K，即低溫限在液氮溫度。按冷卻方式，后一類恒溫器又分為三種。第一種是讓液氮在圍繞樣品的熱交換管內(nèi)流過，使液氮與樣品交換熱量;第二種是將液氮加熱汽化，讓汽化后的冷氮氣流過樣品，與樣品直接交換熱量。第三種方式是將液氮儲存在液池中，用一根熱導(dǎo)適當(dāng)?shù)膶?dǎo)熱桿將加熱器和樣品與液池連接起來，其中導(dǎo)熱桿是這類恒溫器中的關(guān)鍵部件。
反映該項技術(shù)的文件〔1〕G.H.Lesch，et al.IEEE J.Q.E.
QE-12(1976)83現(xiàn)有這類恒溫器中熱導(dǎo)桿一經(jīng)制成，它的熱導(dǎo)就不能改變，故一根熱導(dǎo)桿不能同時滿足快速升溫和快速降溫的要求。如果采用熱導(dǎo)大的導(dǎo)熱桿，可使降溫速度快，但升溫時需要供給加熱器很大的電功率，同時耗費大量的液氮;如果采用熱導(dǎo)小的導(dǎo)熱桿，升溫容易，但降溫卻十分緩慢。例如文獻(xiàn)〔1〕中所介紹的恒溫器，從室溫降至-180℃約需6小時。
本發(fā)明的任務(wù)是用可控?zé)衢_關(guān)代替導(dǎo)熱桿，使這類恒溫器升、降溫速度加快，控溫穩(wěn)定和節(jié)省液氮。
本發(fā)明的任務(wù)是以如下方式完成的用熱導(dǎo)很小的薄壁細(xì)金屬管，稱為輸液管，它與恒溫器中儲液池的(稱為大液池)底部連通，輸液管的下端與一個熱導(dǎo)好的金屬密封容器(稱為小液池)的下部連通，小液池的上部連著排氣管，在排氣管的出口處裝有控制閥。導(dǎo)熱良好的加熱器安裝在小液池上，樣品安裝在加熱器上。為了減少系統(tǒng)與外界的熱交換，在大、小液池、輸液管、排氣管、加熱器以及樣品的外壁與周圍環(huán)境間有一個隔熱區(qū)。
圖1是可控?zé)衢_關(guān)恒溫器的一種結(jié)構(gòu)原理圖。
圖2是可控?zé)衢_關(guān)恒溫器的另一種結(jié)構(gòu)原理圖。
圖3是可控?zé)衢_關(guān)恒溫器用于光學(xué)實驗的一個實例。
結(jié)合圖1來說明可控?zé)衢_關(guān)恒溫器的工作原理，圖中的〔1〕為大液池，內(nèi)裝有致冷液(如液氮)。小液池〔2〕由導(dǎo)熱良好的金屬制成，排氣管〔3〕和輸液管〔4〕是薄壁細(xì)金屬管。當(dāng)把控制閥〔6〕關(guān)斷時，小液池〔2〕、排氣管〔3〕、輸液管〔4〕中的氣體不能經(jīng)控制閥〔6〕排出。盡管在細(xì)金屬管〔4〕內(nèi)液體受到向下的重力大于向上的表面張力，但由于液池〔2〕、排氣管〔3〕、輸液管〔4〕中已充滿了氣體，大液池〔1〕的液體不能通過輸液管〔4〕進(jìn)入小液池〔2〕中。這時樣品〔8〕只能靠熱導(dǎo)很小的細(xì)管〔3〕和〔4〕的傳導(dǎo)作用與外界交換熱量，因此，熱交換速率很低，給加熱器〔9〕加很小的電功率就能使樣品迅速升溫。
當(dāng)控制閥〔6〕全開通時，在輸液管〔4〕內(nèi)作用在液體上的向下的重力大于向上的表面張力，大液池〔1〕內(nèi)的液體會經(jīng)過輸液管〔4〕流入小液池〔2〕中，迫使原來占據(jù)小液池〔2〕、排氣管〔3〕輸液管〔4〕的氣體經(jīng)控制閥〔6〕排出，并在小液池〔2〕、輸液管〔4〕中充滿液體。這時樣品〔8〕很容易與小液池〔2〕中的致冷液交換熱量，使小液池〔2〕中的致冷液汽化經(jīng)排氣管〔3〕和控制閥〔6〕排出，樣品〔8〕迅速降溫。如果再將控制閥〔6〕關(guān)斷，在小液池〔2〕內(nèi)汽化后的氣體會逐漸充滿排氣管〔3〕和小液池〔2〕，并將小液池〔2〕內(nèi)尚未汽化的液體壓回〔1〕中，這時樣品〔8〕又重新處于與外界熱交換少的狀態(tài)。
如果使控制閥〔6〕處于局部扇形的狀態(tài)，大液池〔1〕中的液體會以相應(yīng)的速率流入小液池〔2〕中，液體在小液池〔2〕中汽化時將部分熱量帶走，使樣品〔8〕緩慢降溫。
可見，控制閥〔6〕的狀態(tài)(關(guān)斷、全開通或不同程度的開通)能控制樣品與外界交換熱量的速率。
在圖2中，用熱交換管〔12〕(此管各部分的粗細(xì)和材料可以不同)代替圖1中的輸液管、小液池和排氣管。連接座〔13〕既為樣品與致冷液進(jìn)行熱交換提供了良好的通路、又起著支撐加熱器和樣品的作用，其工作原理與圖1相同。
可控?zé)衢_關(guān)恒溫器完成從室溫到-185℃的變溫過程僅需40分鐘;從-185℃升到室溫約需30分鐘;并可在-185℃～100℃的溫度范圍內(nèi)的任意溫度上恒溫;當(dāng)隔熱真空區(qū)的真空度為10-6Torr恒溫器工作于恒溫狀態(tài)時，液氮消耗率為0.3升/小時。
圖3是可控?zé)衢_關(guān)恒溫器用于光學(xué)實驗的一個實例。大液池〔1〕是用不銹鋼制做的一個園柱形容器，小液池〔2〕是用黃銅制做的扁園形盒，輸液管〔4〕是一根德銀管。排氣管〔3〕也是一根薄壁細(xì)金屬管，然后接上一根橡皮管，控制閥〔6〕安裝在橡皮管上，控制閥〔6〕是一個放氣閥，加熱器是一個鑲嵌有電阻絲的紫銅塊，隔熱真空室是一個帶通光窗口的園柱形不銹鋼容器(分為由法蘭盤連接的上下兩段，以便裝卸樣品)，其真空度一般為10-6Torr。大液池〔1〕、小液池〔2〕、排氣管〔3〕、輸液管〔4〕間的連接采用焊接。熱反射屏〔10〕是一個用黃銅制作的園筒，上端與大液池〔1〕保持良好的熱接觸。透光窗口為園形平板玻璃片，它們與真空室外壁間用“○”形橡皮圈密封真空。
權(quán)利要求
1.一種可控?zé)衢_關(guān)恒溫器是由致冷液、液池、加熱器和隔熱區(qū)組成的，其特征在于大液池[1]上部與外界相通，底部輸液管[4]將大液池底部和小液池[2]連通，小液池上部與排氣管[3]連通，排氣管[3]的另一端與控制閥[6]相通。
2.一種按權(quán)利要求
1所述的可控?zé)衢_關(guān)恒溫器，其特征在于，與輸液管〔4〕相通的小液池〔2〕是密封金屬容器。
3.一種按權(quán)利要求
1、2所述的可控?zé)衢_關(guān)恒溫器，其特征在于輸液管〔4〕是一根或一根以上，內(nèi)徑為0.5～3mm的熱導(dǎo)小的薄壁細(xì)金屬管。
4.一種按權(quán)利要求
1所述的可控?zé)衢_關(guān)恒溫器，其特征在于液池〔1〕的底部與熱交換管〔12〕連通，熱交換管的另一端裝有一個控制閥〔6〕，熱交換管上固定著一個連接座〔13〕。
5.一種按權(quán)利要求
4所述的可控?zé)衢_關(guān)恒溫器，其特征在于熱交換管是一根或一根以上，內(nèi)徑為0.5～3mm的薄壁細(xì)金屬管。
6.一種按權(quán)利要求
4、5所述的可控?zé)衢_關(guān)恒溫器，其特征在于連接座〔13〕由熱導(dǎo)良好的金屬制成，它與熱交換管〔12〕、加熱器〔9〕既能牢固的聯(lián)結(jié)又有良好的熱接觸。
7.一種按權(quán)利要求
1、4所述的可控?zé)衢_關(guān)恒溫器，其特征在于安裝在排氣管〔3〕和熱交換管〔12〕上，有一控制氣體流量的部件。
專利摘要
本發(fā)明是一種用于科學(xué)實驗的低溫控溫用的恒溫器，它由大液池、小液池、及連接這兩個液池的輸液管，連接在小液池上部的排氣管，安裝在排氣管出氣口上的控制閥，加熱器和隔熱區(qū)組成。這種可控?zé)衢_關(guān)恒溫器具有升、降溫速度迅速，控溫穩(wěn)定和節(jié)省大量液氮的特點。
文檔編號B01L7/00GK85100698SQ85100698
公開日1987年8月19日 申請日期1985年4月1日
發(fā)明者趙世富, 錢生法, 韓大星 申請人:中國科學(xué)院物理研究所導(dǎo)出引文BiBTeX, EndNote, RefMan