CN108413639B - 一种以制冷机为冷源的复合温度波动抑制结构 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种以制冷机为冷源的复合温度波动抑制结构，其包括：制冷机，其提供冷源；制冷机冷端法兰，其连接到所述制冷机；样品法兰，其与样品进行连接；在所述制冷机冷段法兰与所述样品法兰之间设置有复合温度波动抑制结构。本发明结合了热容法和热阻法两者各自的优点，采用薄片状的热容材料降低温度波动而基本不引起温度升高，采用细长且具有高导热的热阻材料降低温度波动而基本不引起温度升高；热容材料均采用高导热系数的低温胶或直接焊接的形式与其他部件相连接，杜绝了螺纹连接导致的接触热阻不可控的缺点。

Description

一种以制冷机为冷源的复合温度波动抑制结构
技术领域
本发明涉及一种温度波动抑制结构，特别是涉及一种以制冷机为冷源的复合温度波动抑制结构。
背景技术
GM制冷机或GM脉冲管制冷机为目前唯一商用的4K温区制冷机，其在低温物理、医学等领域都有重要的应用，尤其在以制冷机为冷源的低温***中，GM制冷机或GM脉冲管制冷机由于无需低温液体、操作便捷、运行时间长等优点而得到越来越多的应用。
由于GM制冷机或GM脉冲管制冷机需要周期性的压力波驱动才可以产生制冷效应，其内部工质的温度将会随着压力的变化呈现周期性波动，加之低温下铜等材料的比热容很小，使得GM制冷机或GM脉冲管制冷机冷端换热器外部的温度存在较大幅度的波动(约200mK-500mK)，所以低温样品通常无法直接安装在制冷机冷端进行测试。为使制冷机冷端温度得到有效衰减，目前通常的做法分为两种，一种是热容法，即在制冷机冷端和样品之间增加液氦腔、铅块等低温高比热材料；另一种做法是热阻法，即在制冷机冷端和样品之间增加低导热材料。其中热容法将会增大制冷机冷端的负重和复杂度，并且温度波动抑制效果有限；而热阻法将会使得样品与制冷机存在较大的温差，使样品的最低温度升高。
针对目前制冷机冷端温度波动抑制方法的不足，需要提出一种简单有效的方法以实现样品温度波动的高效抑制。
发明内容
本发明的目的是解决传统以制冷机为冷源的样品结构及其温度波动抑制方法中存在的体积大、质量重、结构复杂、总热阻难以控制以及最低温度升高等问题。
本发明提供了一种以制冷机为冷源的复合温度波动抑制结构，其包括：制冷机，其提供冷源；制冷机冷端法兰，其连接到所述制冷机；样品法兰，其与样品进行连接；在所述制冷机冷段法兰与所述样品法兰之间设置有复合温度波动抑制结构。
其中，所述复合温度波动抑制结构包括第一热容材料、热阻材料和第二热容材料。
其中，述第一热容材料为HoCu2、Er3Ni、Er0.5Pr0.5、或ErNi等磁性材料。
其中，所述第一热容材料为为铅等其他低温下具有较高比热容的材料。
其中，所述第二热容材料为HoCu2、Er3Ni、Er0.5Pr0.5、或ErNi等磁性材料。
其中，所述第二热容材料为为铅等其他低温下具有较高比热容的材料。
其中，所述第一热容材料与第二热容材料的材料相同。
其中，所述第一热容材料与第二热容材料的材料不相同。
其中，所述热阻材料为高纯无氧铜、高纯铝、蓝宝石或石墨烯等低温下具有高导热系数的材料。
其中，所述制冷机为低振动的脉冲管制冷机，为样品提供2.2K-300K的工作温度。
本发明提出了一种复合温度波动抑制结构，使得采用简单的结构即可实现小温差下的温度波动高效抑制。
附图说明
图1为本发明的复合温度波动抑制结构示意图。
具体实施方式
为了便于理解本发明，下面结合附图对本发明的实施例进行说明，本领域技术人员应当理解，下述的说明只是为了便于对发明进行解释，而不作为对其范围的具体限定。
本发明提供了一种复合温度波动抑制结构，图1为本发明的抑制结构示意图。如图1所示，本发明的复合温度波动抑制结构包括：制冷机1、制冷机冷端法兰2、第一热容材料3-1、热阻材料3-2、第二热容材料3-3、样品法兰4。其中制冷机1为样品测量所需的冷源；3-1、3-2和3-3形成成复合结构来抑制温度波动传递至样品法兰4；从而使得样品法兰4为样品提供无波动的恒定温度。
如图1所示的实施案例中，制冷机1，为低振动的脉冲管制冷机，可为样品提供2.2K-300K的工作温度，此时制冷机冷端法兰的温度原始波动约200mK-500mK。优选所述制冷机1可以为GM制冷机，或GM脉冲管制冷机、VM制冷机、VM脉冲管制冷机、斯特林制冷机、斯特林型脉冲管制冷机等其他采用压力波驱动的制冷机形式。
第一热容材料3-1为薄片状，并通过高导热系数的低温胶粘贴在制冷机冷端法兰2上。所述第一热容材料3-1和制冷机冷端法兰2可以采用高导热系数的低温胶进行粘接，也可采用锡焊、银焊等其它焊接形式进行连接。
所述第一热容材料3-1的形状可以为圆形也可以为其他多边形，其厚度优选为0.01mm-10mm，其当量直径可以为小于制冷机冷端法兰2的任意尺寸；所述第一热容材料优选为HoCu2、Er3Ni、Er0.5Pr0.5、或ErNi等磁性材料；也可以为铅等其他低温下具有较高比热容的材料。
所述第一热容材料3-1在低温下具有较高的比热，热扩散系数低，从而自其上表面传递至下表面的温度波动可以得到有效衰减，温度波动可衰减至10mK左右，由于第一热容材料3-1厚度薄，其上下面的平均温度基本无差别。
热阻材料3-2与所述第一热容材料3-1相连接，所述热阻材料3-2与所述第一热容材料3-1之间可采用采用锡焊、银焊等其它焊接形式进行连接，也可以采用高导热系数的低温胶进行粘接。
热阻材料3-2与热容材料3-1焊接至一起，热阻材料3-2选用低温下具有高导热系数的细长条状材料，高导热系数可保证平均温度基本不升高，细长丝状保证其截面积小而长度长，使得温度波动得到抑制，所以温度波动由热阻材料3-2的上端传至下端时，其温度波动可进一步衰减至1mK左右。
热阻材料3-2可以为细丝状，优选其直径为0.1mm-5mm，也可为薄片状，其厚度为0.1mm-5mm，其长度可为1mm-1m；使用时可以使一根，也可以为多根或者多根缠成的束状形式，根数1-10000根均可。热阻材料3-2可以为高纯无氧铜，也可为高纯铝、蓝宝石、石墨烯等低温下具有高导热系数的材料；热阻材料3-2的形状可以为C形，也可以为直线型、S形等其它形状，其界面形状可以为半圆形或圆形或椭圆形等任意适合的形状。
第二热容材料3-3可选自HoCu2、Er3Ni、Er0.5Pr0.5、或ErNi等磁性材料，也可以为铅等其他低温下具有较高比热容的材料；第二热容材料3-3的形状可以为圆形也可以为其他多边形，其厚度为0.1mm-10mm，其当量直径可以为小于样品法兰4的任意尺寸。所述第二热容材料3-3为薄片状，所述第二热容材料3-3的上表面与热阻材料3-2相连接，所述热阻材料3-2与所述第二热容材料3-3之间可采用采用锡焊、银焊等其它焊接形式进行连接，也可以采用高导热系数的低温胶进行粘接；所述第二热容材料3-3的下表面通过高导热系数的低温胶粘贴在样品法兰4上。第二热容材料3-3和样品法兰2之间不局限采用高导热系数的低温胶进行粘接，也可采用锡焊、银焊等其它焊接形式进行连接。同第一热容材料3-1的原理一样，温度波动在经过热容材料3-3之后可进一步衰减至0.1mK以下，而整体的平均温度基本与制冷机冷端法兰3-1一致。
所述第一热容材料3-1和所述第二热容材料3-3可以为同一材料，也可为不同材料；采用第一热容材料3-1、热阻材料3-2和第二热容材料3-3形成复合结构连接制冷机冷端法兰2和样品法兰4时，可以采用1组，也可以采用多组，其数量可以为1-100组。
本发明结合了热容法和热阻法两者各自的优点，采用薄片状的热容材料降低温度波动而基本不引起温度升高，采用细长且具有高导热的热阻材料降低温度波动而基本不引起温度升高；热容材料均采用高导热系数的低温胶或直接焊接的形式与其他部件相连接，杜绝了螺纹连接导致的接触热阻不可控的缺点。
可以理解的是，虽然本发明已以较佳实施例披露如上，然而上述实施例并非用以限定本发明。对于任何熟悉本领域的技术人员而言，在不脱离本发明技术方案范围情况下，都可利用上述揭示的技术内容对本发明技术方案作出许多可能的变动和修饰，或修改为等同变化的等效实施例。因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、等同变化及修饰，均仍属于本发明技术方案保护的范围内。

Claims (10)

1.一种以制冷机为冷源的复合温度波动抑制结构，其包括：制冷机，其提供冷源；制冷机冷端法兰，其连接到所述制冷机；样品法兰，其与样品进行连接；其特征在于：在所述制冷机冷端法兰与所述样品法兰之间设置有复合温度波动抑制结构；
所述复合温度波动抑制结构包括顺序连接的第一热容材料、热阻材料和第二热容材料，所述第一热容材料和所述制冷机冷端法兰之间采用高导热系数的低温胶进行粘接，所述热阻材料为低温下具有高导热系数的细长条状材料。
2.如权利要求1所述的复合温度波动抑制结构，其特征在于：所述第一热容材料为HoCu2、Er3Ni、Er0.5Pr0.5、或ErNi中的任一种磁性材料。
3.如权利要求1所述的复合温度波动抑制结构，其特征在于：所述第一热容材料为低温下具有高比热容的材料。
4.如权利要求3所述的复合温度波动抑制结构，其特征在于：所述第一热容材料为铅。
5.如权利要求1所述的复合温度波动抑制结构，其特征在于：所述第二热容材料为HoCu2、Er3Ni、Er0.5Pr0.5、或ErNi中的任一种磁性材料。
6.如权利要求1所述的复合温度波动抑制结构，其特征在于：所述第二热容材料为铅。
7.如权利要求1所述的复合温度波动抑制结构，其特征在于：所述第一热容材料与第二热容材料的材料相同。
8.如权利要求1所述的复合温度波动抑制结构，其特征在于：所述第一热容材料与第二热容材料的材料不相同。
9.如权利要求1所述的复合温度波动抑制结构，其特征在于：所述热阻材料为高纯无氧铜、高纯铝、蓝宝石或石墨烯中的任一种。
10.如权利要求1所述的复合温度波动抑制结构，其特征在于：所述制冷机为低振动的脉冲管制冷机，为样品提供2.2K-300K的工作温度。
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