无方向性的高低温传热结构及采用该结构的高低温恒温器

技术领域

本发明涉及超低温和高温技术领域，尤其涉及-269℃的低温-700℃及以上的高温宽温区的材料测试技术领域，具体地说是一种具备高可靠性的无方向性的高低温传热结构及采用该结构的高低温恒温器。

背景技术

随着低温技术的不断发展，很多材料需要测试其在深低温下和高温下的性能参数，随之恒温器越来越受到重视，大量的立式恒温器出现在各大实验室中，但是由于许多特殊限制，必须用到无方向性的高低温恒温器，这样相对于立式的支撑结构就不能运用到横式恒温器上。

另外为了提高测试效率需要实现高低温连续测试，同时针对测试方案不同，需要样品安装方向具有任意性，而目前已有的相关技术，有三个问题：1、为了实现高温，牺牲了低温性能且测试温区小；2、采用气体作为传热介质，通过控制气压控制热阻，结构复杂且控制难度大；3、应用了某些特殊材料，但是由于材料本身脆性较强，导致只能垂直应用。

发明内容

本发明的目的是针对现有技术存在的问题，提供一种隔热效果好、长期稳定、支撑可靠、具备绝热低温4K和高温800K的无方向性的高低温传热结构及采用该结构的高低温恒温器。

本发明的目的是通过以下技术方案解决的：

一种高低温传热结构，其特征在于：该高低温传热结构包括后绝热支撑、薄壁管和前绝热支撑，其中后绝热支撑的后端固定连接GM制冷机的冷头、后绝热支撑的前端固定连接薄壁管的后端、薄壁管的前端固定连接前绝热支撑的后端、前绝热支撑的前端固定连接样品台；所述后绝热支撑的后端与GM制冷机的冷头的连接面之间、后绝热支撑的前端和薄壁管的后端的连接面之间、薄壁管的前端和前绝热支撑的后端的连接面之间、前绝热支撑的前端和样品台的连接面之间皆布置有至少一层钽片。

所述的后绝热支撑为中间是弧形钢管、弧形钢管的两端是开有螺钉孔的圆形法兰的结构，后绝热支撑的两端分别通过螺钉紧固连接GM制冷机的冷头和薄壁管的后端；所述的后绝热支撑采用316L不锈钢材质制成。

所述的薄壁管为中间是钢管、钢管两端是开有螺钉孔的圆形法兰的结构，薄壁管的两端分别通过螺钉紧固连接后绝热支撑的前端和前绝热支撑的后端；所述的薄壁管采用316L不锈钢材质制成。

所述的前绝热支撑为中间是弧形钢管、弧形钢管的两端是开有螺钉孔的圆形法兰的结构，前绝热支撑的两端分别通过螺钉紧固连接薄壁管的前端和样品台；所述的前绝热支撑采用316L不锈钢材质制成；所述前绝热支撑的弧形钢管上开有方孔。

所述的薄壁管内设有蓝宝石棒材，蓝宝石棒材的两端分别通过无氧铜软连接与GM制冷机的冷头和样品台相连接；所述GM制冷机的冷头与无氧铜软连接的连接面之间、无氧铜软连接与蓝宝石棒材的后端的连接面之间、蓝宝石棒材的前端与无氧铜软连接的连接面之间、无氧铜软连接与样品台的连接面之间皆布置有至少一层铟片。

所述的无氧铜软连接包括软连接块和L型软连接，软连接块用于锁紧蓝宝石棒材的两端，软连接块分别通过L型软连接连接GM制冷机的冷头和样品台，且软连接块和L型软连接的连接面之间布置有至少一层铟片。

所述的软连接块包括后端软连接块和前端软连接块，后端软连接块用于锁紧蓝宝石棒材的后端且后端软连接块和蓝宝石棒材的连接面之间布置有至少一层铟片；前端软连接块用于锁紧蓝宝石棒材的前端且前端软连接块和蓝宝石棒材的连接面之间布置有至少一层铟片。

所述的L型软连接包括后端L型软连接和前端L型软连接，后端L型软连接的水平部分用于连接GM制冷机的冷头且后端L型软连接的竖直部分用于连接软连接块；所述前端L型软连接的水平部分用于连接样品台且前端L型软连接的竖直部分用于连接软连接块。

一种高低温恒温器，其特征在于：该高低温恒温器具备高低温传热结构，该高低温传热结构的后端与GM制冷机的冷头固定连接、前端与样品台固定连接，在GM制冷机的冷头上设有低温温度传感器；所述样品台的上下表面分别布置有低温温度传感器和高温温度传感器。

所述的高低温恒温器具备两个热量传递路径，热量传递路径一是从GM制冷机到后绝热支撑，经过后绝热支撑到薄壁管，经过薄壁管到前绝热支撑，最后到达样品台；热量传递路径二是从GM制冷机通过无氧铜软连接到达薄壁管内设置的蓝宝石棒材，并经由蓝宝石棒材另一端的无氧铜软连接到达样品台。

本发明相比现有技术有如下优点：

本发明的高低温传热结构采用多段式结构，可以实现任意方向放置、承重能力强且易安装，同时方便拆卸，巧妙的的结构设计和恰当的配合的运用，该高低温传热结构能够横跨低温和高温两个温区，对于超低温技术发展有重大的意义。

本发明的高低温传热结构通过多段结构的连接，有针对性的解决了样品安装方向局限性的问题，还解决了高低温恒温器所需的低温导冷和高温绝热的问题，一举两得。

附图说明

附图1为本发明的高低温恒温器的结构示意图；

附图2为本发明的高低温传热结构连接样品台时的立体图；

附图3为本发明的高低温传热结构连接样品台时的平面图；

附图4为本发明的高低温传热结构连接样品台时的截面图。

其中：1—GM制冷机；2—后绝热支撑；3—薄壁管；4—蓝宝石棒材；5—前绝热支撑；6—样品台；7—L型软连接；71—前端L型软连接；72—后端L型软连接；8—软连接块；81—前端软连接块；82—后端软连接块。

具体实施方式

下面结合附图与实施例对本发明作进一步的说明。

如图1-4所示：一种高低温传热结构，该高低温传热结构包括后绝热支撑2、薄壁管3和前绝热支撑5，其中后绝热支撑2的后端固定连接GM制冷机1的冷头、后绝热支撑2的前端固定连接薄壁管3的后端、薄壁管3的前端固定连接前绝热支撑5的后端、前绝热支撑5的前端固定连接样品台6，样品台6放在结构的最前端，整个样品台6通过刚性高低温传热结构支撑在GM制冷机1上，通过螺钉位置调节，从而保证样品台6的安装面的垂直度；上述后绝热支撑2的后端与GM制冷机1的冷头的连接面之间、后绝热支撑2的前端和薄壁管3的后端的连接面之间、薄壁管3的前端和前绝热支撑5的后端的连接面之间、前绝热支撑5的前端和样品台6的连接面之间皆布置有至少一层钽片，钽片起到隔绝高温的作用。

如图1-4所示：进一步的说，在薄壁管3内设有蓝宝石棒材4，蓝宝石棒材4的两端分别通过无氧铜软连接与GM制冷机1的冷头和样品台6相连接；GM制冷机1的冷头与无氧铜软连接的连接面之间、无氧铜软连接与蓝宝石棒材4的后端的连接面之间、蓝宝石棒材4的前端与无氧铜软连接的连接面之间、无氧铜软连接与样品台6的连接面之间皆布置有至少一层铟片。

本发明的高低温传热结构所采用的蓝宝石棒材4，在低温下，蓝宝石棒材4的导热系数很高，能够把冷量传给样品台6上的样品，满足样品的低温要求；在高温下，蓝宝石棒材4的导热系数很低，把热量隔断，间接保护了GM制冷机1的冷头。同时考虑到蓝宝石棒材4的材料比较脆，为避免材料升降温变形以及水平受力损坏，因此在其外侧设置有不锈钢薄壁管3以起到支撑作用，蓝宝石棒材4的两端通过无氧铜软连接分别与GM制冷机1的冷头以及样品台6相连接，不直接受力，保证蓝宝石棒材4导冷结构的安全性以及可靠性。

如图2所示，无氧铜软连接包括软连接块8和L型软连接7，软连接块8用于锁紧蓝宝石棒材4的两端，软连接块8分别通过L型软连接7连接GM制冷机1的冷头和样品台6，且软连接块8和L型软连接7的连接面之间布置有至少一层铟片，铟片起到增加导热的作用。具体地说，软连接块8包括后端软连接块82和前端软连接块81，后端软连接块82用于锁紧蓝宝石棒材4的后端且后端软连接块82和蓝宝石棒材4的连接面之间布置有至少一层铟片；前端软连接块81用于锁紧蓝宝石棒材4的前端且前端软连接块81和蓝宝石棒材4的连接面之间布置有至少一层铟片。无氧铜材质的L型软连接7采用L型结构设计、上开有螺纹孔，L型软连接7包括后端L型软连接72和前端L型软连接71，后端L型软连接72的水平部分用于连接GM制冷机1的冷头且后端L型软连接72的竖直部分用于连接软连接块8；前端L型软连接71的水平部分用于连接样品台6且前端L型软连接71的竖直部分用于连接软连接块8。

如图2所示，后绝热支撑2采用316L不锈钢材质制成，后绝热支撑2的中间是弧形钢管、弧形钢管的两端是开有螺钉孔的圆形法兰，后绝热支撑2的两端分别通过螺钉紧固连接GM制冷机1的冷头和薄壁管3的后端。

如图2所示，薄壁管3采用316L不锈钢材质制成，薄壁管3的中间是钢管、钢管两端是开有螺钉孔的圆形法兰，薄壁管3的两端分别通过螺钉紧固连接后绝热支撑2的前端和前绝热支撑5的后端。

如图2所示，前绝热支撑5采用316L不锈钢材质制成，前绝热支撑5的中间是弧形钢管、弧形钢管的两端是开有螺钉孔的圆形法兰，前绝热支撑5的两端分别通过螺钉紧固连接薄壁管3的前端和样品台6；在前绝热支撑5的弧形钢管上开有方孔，减少前端的重力而不改变结构强度，这样可以同时承受到本身的自重和所有零件的重力而不发生变形。

如图1所示：一种高低温恒温器，该高低温恒温器包括高低温传热结构，该高低温传热结构的后端与GM制冷机1的冷头固定连接、前端与样品台6固定连接，在GM制冷机1的冷头上设有低温温度传感器；样品台6分布于高低温传热结构的最前端，其外部连接样品，通过螺钉固定不同的样品，在样品台6的上下表面分别布置有低温温度传感器和高温温度传感器，用于测量样品台6的温度，样品台6的中心布置有加热棒，用来对样品台6控温。该高低温恒温器具备两个热量传递路径，热量传递路径一是从GM制冷机1到后绝热支撑2，经过后绝热支撑2到薄壁管3，经过薄壁管3到前绝热支撑5，最后到达样品台6；热量传递路径二是从GM制冷机1到后端L型软连接72，经过后端L型软连接72到后端软连接块82，经过后端软连接块82到蓝宝石棒材4，经过蓝宝石棒材4到前端软连接块81，经过前端软连接块81到前端L型软连接71，最后到达样品台6。

在低温4K的情况下，GM制冷机1的热量传递途径一从冷头经过高低温传热结构传过的冷量特别少，主要起支撑作用；热量传递途径二从冷头经过蓝宝石棒材4传过的冷量特别多，主要起传冷作用。在高温800K的情况下，GM制冷机1的热量传递途径一从冷头经过高低温传热结构传过的热量特别少，主要起支撑作用和隔热作用；热量传递途径二从冷头经过蓝宝石棒材4传过的热量同样特别少，主要起隔热作用。

如图1-4所示，高低温传热结构设置于高低温恒温器的GM制冷机1和样品台6之间用于提供支持支撑功能，其包括后绝热支撑2、薄壁管3、前绝热支撑5，各部件采用圆形或者弓形的形式，均能够根据需要横向或竖向设置在GM制冷机1的冷头的一侧，各结构之间均通过螺钉进行固定，方便拆卸和重复定位；薄壁管3分布于高低温传热结构的中间，其内部包裹蓝宝石棒材4，左右两端通过法兰面连接后绝热支撑2、前绝热支撑5并通过螺钉固定。

如图1-4所示，高低温传热结构的热量传递途径一的基础上，进一步增添热量传递途径二的传热结构，该传热结构包括位于薄壁管3中的蓝宝石棒材4，蓝宝石棒材4的左右两端通过前端软连接块81、后端软连接块82锁紧，前端软连接块81、后端软连接块82又分别与前端L型软连接71、后端L型软连接82通过螺钉固定，且前端L型软连接71用于连接样品台6、后端L型软连接72用于连接GM制冷机1的冷头。低温时，蓝宝石棒材4作为导体把冷头的冷量传递至样品台6，高温时，蓝宝石棒材4作为隔热体把样品台6的高温阻断，减少传递至GM制冷机1的热量，起到保护作用。GM制冷机1分布于高低温传热结构的最后端，其外部连接后绝热支撑2、后端软连接块82，其主要为样品台6上的样品提供足够的冷量来源，同时其作为高低温传热结构的接力点，前端所有的结构重量都坐落在其身上。

如图1-4所示，本发明的高低温传热结构的刚性结构均分布于上侧、所有软连接均分布于下侧。高低温传热结构的安装顺序是从左到右、从上到下，先安装刚性结构、再安装软连接，所有安装均为螺钉锁紧，方便调节和重复利用。

本发明的高低温恒温器根据低温4K和高温800K的温度不同，有针对性的设置低温温度传感器和高温温度传感器，以300K为界限，4K到300K用低温温度传感器；300K到800K用高温温度传感器。低温实验时可以不拆掉高温温度传感器，因为低温不会损坏高温传感器，高温实验时必须拆掉低温温度传感器，否则，会烧坏低温温度传感器，造成不必要的损失。

本发明通过低温4K和高温800K的温度进行验证，高低温传热结构在低温时能够起到支撑和传冷作用，蓝宝石棒材4及时有效地把GM制冷机1的冷头的冷量传递至样品台6处，提高GM制冷机1的制冷效率；高低温传热结构在高温时能够起到支撑和绝热作用，蓝宝石棒材4及时有效地阻隔样品台6的高温热量传递至GM制冷机1的冷头处，起到保护GM制冷机1的冷头的作用，通过设置低温温度传感器和高温温度传感器，实现低温和高温的测量，保障样品台6的工作环境准确性，该高低温传热结构通过分段组合，能适时调整结构和方便拆装，保障结构可以重复利用，便于安装。

以上实施例仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明保护范围之内；本发明未涉及的技术均可通过现有技术加以实现。