低温恒温器简介.docx
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1、低温恒温器简介陈书敏 ,石玉美(上海交通大学制冷与低温工程研究所 , 上海 200240)摘要 :在低温领域中 ,经常需要对低温恒温条件下样品的各种低温性能 ,如热物理性质 、机械性能 、光学物理性 能 、磁热性能及超导性能等进行测试 。这就需要提供一种实验装置来维持样品的低温恒温条件 。而低温恒温器是 一种能够提供低温恒温条件并与外界热绝缘的低温装置 ,它应用广泛 ,是进行低温实验的必要设备 。主要介绍了 低温恒温器的概念 、应用 、分类 、结构及其设计 。关键词 :低温恒温器 ;分类 ;结构 ;设计Br ief in troduc t ion of cryo sta tChen Shum
2、in, Sh i Yum e i( In stitu te of R efrige ra tion and C ryogen ic Enginee ring, Shangha i J iao tong U n ive rsity, Shangha i 200240 , Ch ina)A b stra c t: In the fie ld of low temp e ra tu re, we often need to te st va riou s low - temp e ra tu re p rop e rtie s of the samp le s unde r the cond iti
3、on s of low temp e ra tu re, such a s the rm a l p hysica l p rop e rtie s, m echan ica l p rop e rtie s, p hysica l p rop e rtie s of op tica l, the rm a l p rop e rtie s of m agne tic, sup e rconduc ting p rop e rtie s and so on. A nd c ryo sta t is a low - temp e ra tu re device tha t can p rovid
4、e low and con stan t temp e ra tu re and the rm a l in su la tion from the exte rna l environm en t. It w ide ly u sed in low temp e ra tu re exp e rim en ts and is e ssen tia l fo r them. Th is p ap e r m a in ly in troduce s the concep ts of c ryo sta t, struc tu re, app lica tion, c la ssifica ti
5、on and de sign.Keyword s: C ryo sta t, C la ssifica tion, Struc tu re, D e sign1 引言低温恒温器通常是指这样的实验装置 ,它利用低温流体或其它方法使样品处在恒定的 ,或按 所需方式变化的低温温度下 ,并能对样品进行一种或多种物理量的测量 。低温恒温器是实验杜瓦 容器和容器内部装置的总称 ,广泛应用于低温下 的热物理性质测量 、材料在低温下的机械性能与 实验 、光学物理研究 、材料磁热特性测量和超导实 验等领域 。由于实验目的 、精度 、温度范围和控温方法的不同 ,低温恒温器的结构也不尽相同 1 。a. 支撑板 ;
6、b. 杜瓦 ; c. 交换气罐 ; d. 辐射屏 ; e. 液氦 ; f. 显微镜 ; g. 钟摆 ; h. 振动隔离 ; i. 超高真空室图 1 E igle r贮液式低温恒温器F ig. 1 A n E igle r - style ba th c ryo sta t2. 1. 1 贮液式低温恒温器如图 1所示 5 ,在这种类型的恒温器中 5 - 6 ,试样直接浸没在低温液体内而得到冷却 ,因而贮 液式低温恒温器工作温区往往在液体的正常沸点至三相点之间 ,常见例子有液氦 4. 2 4. 9 K、液氢 1020. 4 K、液氮 63 77 K。通常采用真空密2 低温恒温器的分类2. 1 按工
7、作原理分类低温恒温器按工作原理可分为 : 贮液式低温 恒温器 、连续流动式低温恒温器和带制冷机的低温恒温器 2 - 4 。收稿日期 : 2009 - 04 - 28作者简介 :陈书敏 ( 1987 - ) ,女 ,硕士研究生 ,主要研究方向为低温下 MO F s材料吸氢性能 。本期头条Focu s2第 6期如图 3 所示 2 ,即利用微型制冷机来代替低温液体 , 实 现 温 度 控 制 , 往 往 采 用 G - M 制 冷 机 9 , 10 或斯特林 制冷 机 11 , 12 来 制 取 冷 量 并 获 取 低温 ,目前也有采用脉冲管制冷机 13 , 14 和稀释制冷机来获取低温的 。这类恒
8、温器可用于实验室小型低温超导体的实验研究和卫星红外遥感 。2. 2 按用途分类低温恒温器按用途可分为 2 : ( 1 ) 热测量用 低温恒温器 :如用于材料的比热容 、热导率和热膨胀率的测量 ; ( 2 )电磁测量用恒温器 : 如用于霍尔效应 、磁化率 、磁阻等的测试 ; ( 3 ) 光学测量用恒 温器 :如在液氦温度下测量晶体的反射率和吸收 率的频谱 ,以及天文红外或远红外观等的测量 。因此需要带有窗口的低温恒温器 。该类恒温器的温控精度要求不高 ; ( 4)机械测量用恒温器 :用于低温 下材料的机械性能实验 ,如拉伸强度等的测量 。2. 3 按获得所需温度范围分类低温恒温器按获得所需温度范
9、围 ,大体可分成三类 15 :( 1 )所需温度在液体正常沸点及以下的温度 范围 可通过把样品或实验装置浸没在低温液体 中 ,然后改变液体上方的蒸汽压强来改变温度以 获得所需温度 ;( 2 )所需温度在液体正常沸点以上的温度范 围 ,如 4. 277 K、77300 K等 ,一般称为“中间温 度 ” 可通过两种方法获得中间温度 : 一种 是使样品或装置与液池完全绝热或部分绝热 ,然后用 电加热的方法来升高温度 ;另一种是用冷气流 、制冷机或其它制冷方法 (例如活性炭吸附等 ) 控制 供冷速率 ,以获得所需温度 ;( 3 )所需温度在液体正常沸点温度以上及以 下的宽温区 此时可同时采用上述几种方
10、法来获 得所需温度 。封腔与外界热绝缘 ,并通过支撑装置将样品浸没在低温液体中 。有时采用加热装置 ,由冷热对冲 来维持样品温度稳定在低温液体温度之上的任一 点 。该类恒温器若要获得较高温度 ,则需要消耗 较多液体 ,但它具有较好的温度梯度和稳定性 。2. 1. 2 连续流动式低温恒温器如图 2 所示 5 ,该类低温恒温器由贮存容器 和恒温器等组成 ,贮存容器和恒温器之间由输液 管连接 。由于加压 ,贮存容器中的低温液体流入 恒温器中来冷却样品 。通过控制流量即可实现控 温 ,若结合加热装置 ,则可实现宽温区控温 7 - 8 。a. 液氦传送管 ; b. 液氦杜瓦 ; c. 涡轮泵 ; d.
11、离子吸气泵 ; e.空气浮动台 ; f. 超高真空室 ; g. 显微镜 ; h. 连续流式液氦 /液氮低温恒温器 ; i. 冷支撑 ; j. 弹簧和电线 ; k. 涡流阻尼 ; l.夹紧螺钉 ; m. 显微镜 ; n. 内防护屏 ; o. 外防护屏 图 2 连续流动式低温恒温器F ig. 2 A con tinuou s flow c ryo sta t2. 1. 3 带制冷机的低温恒温器低温恒温器的设计 2 , 16 - 18 3设计低温恒温器时 ,是根据具体要求来选择合理的结构 、传感元件和合适的控温方法 。在设 计低温恒温器时 ,首先要明确该恒温器的温度范围 ;其次是绝热条件 。3. 1
12、 设计步骤一般低温恒温器有以下几个性能指标 : 工作1. 制冷机马达盖 ; 2. 1 级和两级气 缸 ; 3. 1 级 冷 却 端 ; 4. 2级冷却端 ; 5. 样品台 ; 6. 样品 ; 7. 光学窗口 ; 8. 藏在样品内 的蒸气压温度计的测量头 ; 9. 蒸气压温度计用的毛细管 ;10. 辐射屏蔽板 ; 11. 真空容器 ; 12. 加热器图 3 带制冷机的光学用低温恒温器F ig. 3 Op tica l c ryo sta t w ith refrige ra to r本期头条Focu s第 6期3温度 、制冷功率 、工作寿命 (连续工作时间 ) 、重量和尺寸 、试样尺寸等 。其设
13、计的一般步骤为 : ( 1 ) 方案 选择根据设计用途来确定恒温器形式及其 制冷方式 。实验室用的恒温器则还应考虑与现有 实验条件的配套 ; ( 2 ) 热设计 根据所需的连续 工作时间 ,试样的热负荷以及所估计的漏热量 ,综合 计 算 该 恒 温 器 应 提 供 的 制 冷 功 率 和 总 冷 量 ; ( 3 )结构设计由总冷量或制冷功率的要求 、尺 寸指标及实验目的来进行恒温器的结构设计 ; 同 时选择合适的结构材料 、焊接方法 、密封措施和温 控方案或绝热措施 ; ( 4 ) 热设计的再校核针对 结构设计 再次 进 行热 计 算 , 核 定所 设 计的 方案 ;( 5)配件设置 根据实验
14、目的来选择输液管 、温度 计 、连接管道以及阀门等配件 ;同时还应考虑外部 测试系统的布局以及设备应与所设计的低温恒温 器相匹配 。3. 2 选材 、焊接及密封方法3. 2. 1 选材低温恒温器结构材料选择时 ,应综合考虑机 械性能 、热物理性能以及电磁性能等因素 。制造 低温恒温器的材料主要有玻璃和金属两种 ,玻璃 杜瓦具有制造容易 、价格低廉 、漏热小 、液体保存时间长以及可视等一系列优点 ,但局部冷却和热 变形较大时容易脆裂 ,本身材料易碎 ;金属杜瓦牢 固 、热变形性能好 ,瓶壁可以做得很薄 ,尺寸不受 限制 ,易于精密设计和加工 ,但价格贵 ,重量大 。 一 般 来 说 , 实 验
15、室 用 恒 温 器 常 选 用0C r18N i9 Ti奥氏体不锈钢材料 ,其热导差 、低温下 有较好的强度和韧性 ,因而可作为恒温器壳体材 料 、抽空管道等 。热导率较高的紫铜材料常作为 恒温器的热沉或恒温块 ,也用作防辐射保护屏 ,对 紫铜加以抛光 、镀铬 、镀金可提高防辐射传热的效果 。由于价格低廉和制造方便 ,贮液式恒温器也 常采用玻璃结构材料 ,但作为工程应用和定型产 品 ,最好选用金属结构材料 。磁学实验用的恒温 器常选用锰奥氏无磁钢制成 ,近年来也常用环氧 玻璃钢制造 。3. 2. 2 焊接及密封方法 有些实验用恒温器要经常装拆 ,如热物性测定用恒温器的真空腔本体 ,因而常采用法
16、兰密封 结构 。一般选用不锈钢或黄铜制成法兰 ,与恒温 器筒体法兰安装的密封大多采用软金属 O 型圈(铟 、金 、铝等 )密封 。不锈钢之间往往采用直流氩弧焊 ,被焊接两 部分尽量设置等厚度 。黄铜或紫铜之间或与不锈 钢之间可采用银焊 。有些经常拆卸的管道之间甚 至可用锡焊 。真空绝热的恒温器或与外界封闭的恒温器涉 及温度计 、加热器和测试引线等接线的引出方法 ,一般来说 ,可采用室温通道引线接头或直接安装 在低温恒温器法兰上的低温引线接头 。3. 2. 3 低温恒温器设计热计算 低温恒温器的设计中 ,热设计是非常必要的 ,因为它直接关系到恒温器的使用性能 。它主要涉 及系统的漏热量计算 ,包
17、括引线的漏热量 、固体支架的传导热 、外部环境引入的辐射热和残余气体 的导热等 。3. 2. 3. 1 引线的漏热 低温恒温器的引线主要包括加热器引线 、温度计引线 、样品测试信号引线等 。由引线传导的 总热量计算公式如公式 ( 1 )所示 。n d2iQ i = ( T2 - T1 ) 4 L( 1 )i = 1i式中 为引线两侧温度分别为 T1 , T2 时的平均热导率 , W / (m K) ; d、L 分 别为 引 线 的 直 径 和 长 度 , m、m; n 为引线总数 。典型低温材料的平均热导率值见表 1。表 1 典型低温材料的平均热导率值Tab. 1 The the rm a l
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