CN113587482A - 一种可变温区冷头传导装置及其使用方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及制冷技术领域，提供一种可变温区冷头传导装置，其包括导热板和热沉单元，导热板分别与冷头第一级与冷头第二级之间的蓄热管和脉冲管连接，且导热板被配置为能够固定在蓄热管和脉冲管上的任意位置处，热沉单元的一端连接于导热板上，热沉单元能够从导热板传输冷量至外界设备。本发明还提供了上述可变温区冷头传导装置的使用方法，包括：实验得到温度与距离的函数；根据函数和目标温度确定导热板的安装位置并安装；安装调温单元，通过温度传感器测量导热板的温度，温控仪根据测量的温度值控制加热仪器加热导热板，直到导热板的温度调整至目标温度；将热沉单元连通外界设备。该可变温区冷头传导装置使用上述方法即可按目标温度输出冷量。

Description

一种可变温区冷头传导装置及其使用方法

技术领域

本发明涉及制冷技术领域，尤其涉及一种可变温区冷头传导装置及其使用方法。

背景技术

无论是脉冲管制冷机还是传统式的GM制冷机(Gifford-Mcmahon制冷机)，至多具有两级可使用的温区。例如4K级别的脉冲管制冷机，冷头第一级处为第一级温区，第一级温区为50K温区，冷头第二级处为第二级温区，第二级温区为4K温区，即只有这两个温区4K与50K可用。但在实际使用过程中，经常涉及到4K至50K温度范围内的某一温区，以满足实验或研究工作的需要。如为此再配置一台具有符合需要的特定温区的制冷机，不仅费用高昂，而且频繁更换制冷设备还会带来调试安装等一系列工作。

因此，亟需一种可变温区冷头传导装置以解决上述问题。

发明内容

本发明的目的在于提供一种可变温区冷头传导装置，能够提供一定温度范围内的任一温度的冷源，以满足多种工作场景下对不同温度冷源的需要。

为达此目的，本发明采用以下技术方案：

一种可变温区冷头传导装置，包括：

导热板，所述导热板分别与冷头第一级与冷头第二级之间的蓄热管和脉冲管连接，且所述导热板被配置为能够固定在所述蓄热管和所述脉冲管上的任意位置处；

热沉单元，所述热沉单元的一端连接于所述导热板上，所述热沉单元能够从所述导热板传输冷量至外界设备。

可选地，还包括调温单元，所述调温单元用于调节所述导热板的温度至目标温度。

可选地，所述调温单元包括温度传感器、加热仪器和温控仪，所述温控仪分别与所述加热仪器和所述温度传感器电连接，所述温控仪被配置为能够根据所述温度传感器测量到的所述导热板的实际温度，控制所述加热仪器加热所述导热板至所述目标温度。

可选地，还包括液化器单元，所述液化器单元包括导冷柱和冷凝管，所述导冷柱设置在所述导热板上，所述冷凝管缠绕所述导冷柱设置。

可选地，所述导热板上设置有多个导热突出，所述导热突出围设在所述蓄热管和/或所述脉冲管的外壁处。

可选地，还包括固定单元，所述导热板包括两个导热半板，所述固定单元用于固定两个所述导热半板。

可选地，两个所述导热半板的连接处均匀设置有多个导热块。

可选地，与所述导热板、所述温度传感器或所述加热仪器连接的电信号线均部分缠绕在所述热沉单元上。

本发明的另一个目的在于提供一种可变温区冷头传导装置的使用方法，能够满足多种工作场景下对不同温度冷源的需要。

为达此目的，本发明采用以下技术方案：

一种上述的可变温区冷头传导装置的使用方法，包括以下步骤：

S1：实验得到温度与距离的函数：将所述导热板(3)安装于所述蓄热管和所述脉冲管上的不同位置处，并记录所述导热板的温度，所述导热板与冷头第一级或冷头第二级之间的距离，根据温度数据和距离数据得到函数；

S2：安装导热板：根据所述函数和目标温度确定所述导热板的安装位置并进行安装；

S3：调温：安装调温单元，通过温度传感器测量所述导热板的温度，温控仪根据测量的温度值控制加热仪器工作，直到将所述导热板(3)的温度调整至所述目标温度；

S4：安装液化器单元，将所述热沉单元连通所述外界设备。

可选地，步骤S1包括，安装所述导热板在所述蓄热管和/或所述脉冲管的第一位置处，通过所述温度传感器测量所述导热板的温度并记录，调整所述导热板的位置并重复测量、记录温度，以得到多组温度数据和距离数据。

本发明的有益效果：

本发明提供了一种可变温区冷头传导装置，包括导热板和热沉单元，其中，导热板分别与冷头第一级与冷头第二级之间的蓄热管和脉冲管连接，且导热板被配置为能够固定在冷头第一级与冷头第二级之间的蓄热管和脉冲管上的任意位置处，热沉单元的一端连接于导热板上，热沉单元能够从导热板传输冷量至外界设备。该可变温区冷头传导装置的导热板设置在蓄热管和脉冲管上的不同位置处，即可实现导热板的温度的变化，且其温度处于冷头第一级和冷头第二级的温度之间。通过热沉单元即可将导热板的冷量传导至外界设备，以满足多种工作场景下对不同温度冷源的需要。本发明还提供了上述的可变温区冷头传导装置的使用方法，包括以下步骤：实验得到温度与距离的函数；根据函数和目标温度确定导热板的安装位置并进行安装；安装调温单元，通过温度传感器测量导热板的温度，温控仪根据测量的温度值控制加热仪器加热导热板，直到将导热板的温度调整至目标温度；将热沉单元连通外界设备。按照上述方法使用该可变温区冷头传导装置，即可根据目标温度输出冷量，以满足实际需要。

附图说明

图1是本发明实施例所提供的可变温区冷头传导装置的一个视角的结构示意图；

图2是本发明实施例所提供的可变温区冷头传导装置的另一个视角的结构示意图；

图3是本发明实施例所提供的可变温区冷头传导装置的使用方法的流程示意图。

图中：

1、冷头第一级；2、冷头第二级；3、导热板；31、导热突出；4、热沉单元；5、温度传感器；6、导热柱；7、导冷柱；8、冷凝管；9、固定件。

具体实施方式

下面结合附图和实施方式进一步说明本发明的技术方案。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本发明，而非对本发明的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与本发明相关的部分而非全部。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征之“上”或之“下”可以包括第一和第二特征直接接触，也可以包括第一和第二特征不是直接接触而是通过它们之间的另外的特征接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”包括第一特征在第二特征正上方和斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”包括第一特征在第二特征正下方和斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。

如图1-图2所示，本实施例提供了一种可变温区冷头传导装置，包括导热板3和热沉单元4。其中，导热板3被配置为能够固定在冷头第一级1与冷头第二级2之间的蓄热管和脉冲管上的任意位置处，热沉单元4的一端连接于导热板3上，热沉单元4能够从导热板3传输冷量至外界设备。通过将导热板3设置在蓄热管和脉冲管上的不同位置处，即可实现导热板3的温度的变化，且其温度处于冷头第一级1和冷头第二级2的温度之间。通过热沉单元4即可将导热板3的冷量传导至外界设备，以满足多种工作场景下对不同温度冷源的需要。

为了了解导热板3的实时温度，可选地，还包括调温单元，调温单元包括温度传感器5，温度传感器5设置在导热板3上，以测量导热板3的温度。可选地，在导热板3的不同位置处均设置温度传感器5，以进一步保证温度测量结果的准确性。

根据目标温度，将导热板3大致固定在某个位置上时，还需要对其温度进行精确调节，可选地，调温单元还包括加热仪器和温控仪，加热仪器用于加热导热板3，温控仪分别与加热仪器和温度传感器5电连接。温度传感器5将实际温度传输至温控仪，温控仪根据实际温度与目标温度的差值，控制加热仪器加热导热板3，以使导热板3的实际温度与目标温度一致，从而实现导热板3温度的精准调节。可选地，加热仪器包括在导热板3上设置的导热柱6和放置在导热柱6上的加热件，具体地，导热柱6设置有中空凹槽，加热件的加热端放置在导热柱6内，以实现热量传导。温控仪与加热件之间电连接，以实现对加热件的控制。

为了便于气体液化，可选地，该可变温区冷头传导装置还包括液化器单元。具体地，液化器单元包括导冷柱7和冷凝管8，导冷柱7设置在导热板3上，冷凝管8缠绕导冷柱7设置。待液化气体从冷凝管8的一端流入冷凝管8，并在冷凝管8中流动，以吸收导冷柱7上的冷量，冷凝后的流体从冷凝管8的另一端流出，以实现气体液化。

为了保证导热板3与蓄热管和/或脉冲管之间的冷量传导，可选地，导热板3上设置有多个导热突出31，导热突出31围设在蓄热管和/或脉冲管的外壁处。导热突出31可增大导热板3与蓄热管和/或脉冲管的外壁之间的接触面积，以提高冷量传导效率，保证导热板3在工作中的温度稳定。

为了便于拆卸和安装导热板3，可选地，导热板3包括两个导热半板，固定单元用于固定两个导热半板。可选地，两个导热半板的连接处设置有螺纹孔，固定单元包括固定件9，固定件9为螺栓，即可实现两个导热半板的可拆卸连接。为了保证两个导热半板各处连接均紧密，可选地，螺纹孔和固定件9均设置有两套，分别设置在导热半板的两端，以使两个导热半板之间连接的力度均衡，避免出现间隙使导热不均或传热速率减缓。

为进一步地避免两个导热半板的某处集中出现间隙，致使导热板3上出现温差。可选地，两个导热半板的连接处均匀设置有多个导热块(图中未示出)，以保证两个导热半板的接触面积。由于平面之间的接触可能存在接触不完全的情况，两个导热半板很可能在设置固定件9的位置接触紧密，远离固定件9的位置存在接触间隙。所以通过设置多个导热块，使两个导热半板抵接接触并固定，就可避免在某处集中出现间隙，以保证两个导热半板各处的温度一致。

与导热板3、温度传感器5或加热仪器连接的电信号线均有一定的热传导能力，为了避免电信号线直接耗散导热板3上的冷量，且影响温度调节的准确性，可选地，与导热板3、温度传感器5或加热仪器连接的电信号线均部分缠绕在热沉单元4上，以使电信号线达到导热板3的温度后再与导热板3、温度传感器5或加热仪器连接。

如图3所示，本发明还提供了上述的可变温区冷头传导装置的使用方法，包括以下步骤：

S1：实验得到温度与距离的函数：将导热板安装于蓄热管和脉冲管上的不同位置处，并记录对应的温度，根据距离数据和温度数据得到函数。

由于同一台设备的冷头第一级1和冷头第二级2的温度是固定的，即可认为在蓄热管和脉冲管的任一特定位置的温度均是固定的。可选地，步骤S1包括，安装导热板3在蓄热管和/或脉冲管的第一位置处，通过温度传感器5测量导热板3的温度并记录。然后调整导热板3至蓄热管和/或脉冲管的第二位置处，再次测量温度并记录。如此反复多次，就可得到多组距离数据和温度数据，并根据多组数据推导出距离与温度的函数公式。

以蓄热管为例，以该位置与冷头第一级1之间的距离作为距离数据，可将距离数据标注在蓄热管的外壁上，或者不做标注，每次安装导热板时进行测量以找到距离数据对应的位置亦可。

S2：安装导热板3：根据函数和目标温度确定导热板3的安装位置并进行安装。

根据上述的函数公式，即可确定导热板3放置在哪个位置最接近目标温度，从而使实际温度更接近目标温度，减少调节温度时的冷量损失。然后将两个导热半板通过固定件9进行固定，以使导热板3安装在确定的位置上。

S3：调温：安装调温单元，通过温度传感器5测量导热板3的温度，温控仪根据测量的温度值控制加热仪器加热导热板3，直到将导热板3的温度调整至目标温度。

安装调温单元需要连通安装在导热板3上的温度传感器5与温控仪，也需要连通温控仪与加热仪器。由于导热板3的实际温度很可能与目标温度之间仍然存在温差，还需要对导热板3的温度进行精确调节，即需要安装调温单元。具体地，利用温度传感器5测量导热板3的实际温度，并将该实际温度传输至温控仪，温控仪根据实际温度与目标温度的差值，控制加热仪器加热导热板3，以使导热板3的实际温度与目标温度一致，从而实现导热板3温度的精准调节。可选地，安装调温单元包括连接温度传感器5，即将电信号线的一端与温控仪连接，另一端部分缠绕热沉单元4后，与温度传感器5连接。安装调温单元还包括安装加热仪器，即将另一个电信号线的一端与温控仪连接，另一端部分缠绕热沉单元4后，与加热件连接，并将加热件放置到导热柱6的凹槽内。开启调温单元的各个组件，即可进行自动调温。

S4：安装液化器单元，将热沉单元4连通外界设备。

安装液化器单元即将冷凝管8部分缠绕在导冷柱7上，一端与待液化气体的存储设备连接，另一端与液化后的流体的存储设备连接。将热沉单元4连通外界设备即可将热沉单元4与外界的实验设备连通，以对实验设备提供符合目标温度的冷量。

按照上述方法使用该可变温区冷头传导装置，可解决现有制冷机只能提供至多两个固定温度冷源的问题，即可根据目标温度输出需要的冷量，以满足多种工作场景下对不同温度冷源的需要。如果实际中需要提供多个不同温度的冷源，安装多个导热板3及相关的单元仪器即可。需要说明的是，如果实际中需要的冷源温度比导热板3的最高温度还高，仍然可以通过调节加热仪器，使得导热板3符合目标温度。本实施例所提供的可变温区冷头传导装置及其使用方法大大拓宽了现有制冷机的适用场景，使得实验和研究工作方便开展。

显然，本发明的上述实施例仅仅是为了清楚说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种可变温区冷头传导装置，其特征在于，包括：

导热板(3)，所述导热板(3)分别与冷头第一级(1)与冷头第二级(2)之间的蓄热管和脉冲管连接，且所述导热板(3)被配置为能够固定在所述蓄热管和所述脉冲管上的任意位置处；

热沉单元(4)，所述热沉单元(4)的一端连接于所述导热板(3)上，所述热沉单元(4)能够从所述导热板(3)传输冷量至外界设备。

2.根据权利要求1所述的可变温区冷头传导装置，其特征在于，还包括调温单元，所述调温单元用于调节所述导热板(3)的温度至目标温度。

3.根据权利要求2所述的可变温区冷头传导装置，其特征在于，所述调温单元包括温度传感器(5)、加热仪器和温控仪，所述温控仪分别与所述加热仪器和所述温度传感器(5)电连接，所述温控仪被配置为能够根据所述温度传感器(5)测量到的所述导热板(3)的实际温度，控制所述加热仪器加热所述导热板(3)至所述目标温度。

4.根据权利要求1所述的可变温区冷头传导装置，其特征在于，还包括液化器单元，所述液化器单元包括导冷柱(7)和冷凝管(8)，所述导冷柱(7)设置在所述导热板(3)上，所述冷凝管(8)缠绕所述导冷柱(7)设置。

5.根据权利要求1所述的可变温区冷头传导装置，其特征在于，所述导热板(3)上设置有多个导热突出(31)，所述导热突出(31)围设在所述蓄热管和/或所述脉冲管的外壁处。

6.根据权利要求1所述的可变温区冷头传导装置，其特征在于，还包括固定单元，所述导热板(3)包括两个导热半板，所述固定单元用于固定两个所述导热半板。

7.根据权利要求6所述的可变温区冷头传导装置，其特征在于，两个所述导热半板的连接处均匀设置有多个导热块。

8.根据权利要求3所述的可变温区冷头传导装置，其特征在于，与所述导热板(3)、所述温度传感器(5)或所述加热仪器连接的电信号线均部分缠绕在所述热沉单元(4)上。

9.一种如权利要求1-8任一项所述的可变温区冷头传导装置的使用方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1：实验得到温度与距离的函数：将所述导热板(3)安装于所述蓄热管和所述脉冲管上的不同位置处，并记录所述导热板(3)的温度，所述导热板(3)与冷头第一级(1)或冷头第二级(2)之间的距离，根据温度数据和距离数据得到函数；

S2：安装导热板(3)：根据所述函数和目标温度确定所述导热板(3)的安装位置并进行安装；

S3：调温：安装调温单元，通过温度传感器(5)测量所述导热板(3)的温度，温控仪根据测量的温度值控制加热仪器加热所述导热板(3)，直到将所述导热板(3)的温度调整至所述目标温度；

S4：安装液化器单元，将所述热沉单元(4)连通所述外界设备。

10.根据权利要求9所述的可变温区冷头传导装置的使用方法，其特征在于，步骤S1包括，安装所述导热板(3)在所述蓄热管和/或所述脉冲管的第一位置处，通过所述温度传感器(5)测量所述导热板(3)的温度并记录，调整所述导热板(3)的位置并重复测量、记录温度，以得到多组温度数据和距离数据。

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