Устройство для теплофизических измерений Советский патент 1984 года по МПК G01N25/18 

Изобретение относится к области измерений, в частности к устройствам .для теплофизических измерений при низких температурах, и может быть использовано при теплофизическкх измерениях в магнитных полях. Известно устройство для теплофизических измерений, содержащее блок нагрева образца, пластину из высокотеплопроводного материала, ванну для криогенной жидкости, связанную с плас тиной через .пакет гофрированных металлических листов с направлением гофров, чередующимся взаимно перпендикулярно, систему перемещения ванны относительно пластины. Изменяя степень сжатия пакета гофрированных лис тов, регулируют температуру холодной границы образца lj . Недостатком этого устройства является невозможность проведения точных измерений- в широком интервале температур, например при сверхнизких температурах (2-20 К), так как в это области температур металлические гоф ры, сдавливаемые ванной с кpиo eннoй жидкостью, теряют свои упругие свойства и начинают деформироваться плас тически. Это приводит практически к выводу устройства из строя. Наиболее близким к предлагаемому по технической сущности является уст ройство для теплофизических измерений, содержащее теплопровод, состоящий из цилиндрического к трубчатого элементов, выполненных из материала с высокой теплопроводностью, например меди, колпак и измерительную ячейку, одетые на теплопровод с возможностью перемещения. Цилиндрически элемент расположен внутри трубчатого элемента и соттрягается с ним. Трубчатый элемент закреплен на мембране. Измерительная ячейка включает в себя монтажную плату л образцом, нагревательную печь, нагреватель электр&нно го управления, термометры, рычажные контакты, противоизлучанщий экран и другие элементы, обеспечивающие проведение измерений. Нагреватель элект ронного управления расположен на мон тажной плате, которая прикреплена к цилиндрическому элементу. В качестве криогенной жидкости используется жидкий гелий. Температура монтажной платы, задающей температзфу холодного края образца, регулируется изменением давления жидкого гелия над 10 52 мембраной путем регулирования положения колпака или печкой электронного управления. Для расширения температурного диапазона измерений производят смену криогенной жи; кости, например жидкий гелий - жидкий водород 2J. Недостатком известного устройства является узкий диапазон измерений при использовании одной криогенной жидкости, например жидкого гелия, что обусловлено невозможностью создания большого отрыва температуры монтажной платы от температуры криогенной жидкости вследствие малого теплосопротивления теплопровода, так как все элементы теплопровода вьтолнены из высокотеплопроводного материала. Цель изобретения - расширение температурного диапазона измерений. Поставленная цель достигается тем, что в устройстве для теплофизических измерений, содержащем теплопровод, состоящий из цилиндрического элемента, выполненного из высокотеплопроводного материала, например меди, и трубчатого элемента, колпак, одетый на теплопровод с возможностью перемещения вдоль его оси, и измерительную ячейку, цилиндрический элемент выполнен из двух частей разного диаметра и соосно соединен с трубчатым элементом, причем часть цилиндрического элемента с меньшим диаметром размещена внутри трубчатого элемента, а больщий диаметр цилиндрического элемента равен наружному дчаметру трубчатого элемента, выполненного из материала с низкой теплопроводностью. Отношение меньшего R большего диаметров цилиндрического элемента и отношение высоты цилиндрической части большего диаметра к высоте всего цилиндрического элемента составляет 0,01-0,99, при этом колпак вьшолнен в виде сосуда Дьюара. Выполнение теплопровода указанньм образом позволяет изменять его тепловое сопротивление путем изменения положения колйака s диапазоне гораздо более вирокоМ),. чем в известном устройстве. Выбор соотношения диаметров определяется необходимостью вакуумной изоляции части цилиндрического элемента меньщего диаметра от трубчатого элемента из нержавеющей стали (т.е. -, достаточно обеспечить вакуумный зазор v 1 мм) (, а также прочностью 31 (жесткостью) нижней части цилиндрического элемента. Высота части меньшего диаметра ци линдрического элемен-та является опре деляящей для расширения температурно го диапазона, перекрываемого с использованием данного устройства, и определяется длиной трубчатого элемента из нержавекицей стали (эта высота должна быть равна длине трубчатого элемента),Высота части большего диаметра цилиндрического элемента должна быть больше ее диаметра для выполнения условия поршня. Соотношение высот выбирается исходя из конкретных размеров гелиевого криостата. Колпак, выполненньй в виде сосуда Дьюара, осуществляет изоляцию части теплопровода от криогенной жидкости ,и своим положением задает теплосопро тивление теплопровода и расширяет температурный диапазон измерений при использовании только жидкого гелия до 80 К. На чертеже схематически представлено предлагаемое устройство для теп лофизических измерений применительно к случаю измерения коэффициента теплопроводности, общий вид. Устройство для измерения коэффици ента теплопроводности содержит тепло провод, состоящий из цилиндрического элемента 1 и трубчатого элемента 2. Цилиндрический элемент состоит из двух медных цилиндров разного диамет ра, большего вверху и меньшего внизу. Приэтом диаметр верхнего цилиндра цилиндрического элемента 1 и наружны диаметр трубчатого элемента 2 равны между собой. Трубчатый элемент 2 соосно прикреплен к верхнему цилиндру цилиндрического элемента 1 таким образом, что нижний цилиндр ципиндрического элемента 1 расположен внутри трубча1;ого элемента 2, а боковые поверхности верхнего цилиндра цилиндри ческого элемента 1 и трубчатого элемента 2 образуют сплошную цилиндри - ческую поверхность. Трубчатый элемен 2 выполнен из нержавеющей стали. На теплопровод одет колпак 3 с возможностью перемещения вдоль оси теплопровода вверх и вниз. При этом зазор между боковой поверхностью теплопровода и внутренней боковой поверхностью колпака 3 выбран таким образом чтобы обеспечить выполнение условия

как цилиндрический элемент 1 контактирует с криогенной жидкостью через трубчатый элемент 2, вьтолненный из 95 телескопичности. Колпак 3 представляет собой перевернутый сосуд Дьюара. Таплопровод закреплен в емкости 4 для криогенной жидкости, в качестве которой могут быть использованы жидкий гелий или жидкий азот. Для обеспечения проведения измерений в магнитных полях к цилиндрическому элементу 1 прикреплена труба 5, выполненная из высокотеплопроводного материала, например меди. Труба 5 размещена в сверхпроводящем соленоиде 6. К нижней части трубы 5 крепится массивный блок 7 с образцом 8. Блок 7 выполнен из высокотеплопроводного материала, например меди. В нижней части блока 7 расположена печь 9, предназначенная для создания отрыва температуры холодного конца образца В от температуры цилиндрического элемента 1. В верхней части образца 8 расположена вторая печь 10, предназначенная для создания градиента температур на образце 8. Температура образца 8 изме-ряется при помощи термометров II. Измерительная ячейка включает в себя образец 8, печи 9 и 10, термометры 11, а также защитные экраны, элементы терморегулятора и прочие элементы, обеспечивающие проведение измерений (не показаны). Устройство работает следующим образом. Емкость 4 заполняют криогенной жидкостью таким образом, что обмотка сверхпроводящего соленоида 6 оказывается погруженной в нее, а верхний уровень криогенной жидкости находится выше верхнего края цилиндрического элемента 1. Когда нижняя кромка колпака 3 находится выше уровня А, цилиндрический элемент t контатирует с криогенной жидкостью. Между образцом 8 и криогенной жидкостью осуществляется хорошая тепловая связь через выполненные из меди, цилиндрический элемент 1, трубу 5 и блок 7. Образец 8 интенсивно охлаждается, и его температура назсодится в области температур, близких температуре криогенной жидкости. При перемещении колпака 3 до положения, при котором его нижняя кромка находится ниже уровня А, тепловая связь с образцом 8 ухудшается, так

1. УСТРОЙСТВО ДЛЯ ТЕШ1(Ж ЗИЧЕСКИХ ИЗМЕРЕНИЙ, содержащее тепло- провод, состоящий из цилиндрического элемента, вьшолненного из высокотеплопроводного материала, например меди, и трубчатого элемента, колпак, одетый на теплопровод с возможностью перемещения вдоль его оси и измерительную ячейку, отличающеес я тем, что, с целью расширения температурного диапазона измерений, цилиндрический элемент вьтопнен из двух частей разного диаметра и соосно соединен с трубчатьм элeмeнтo f, причем часть цилиндрического элемента с меньшим диаметром размещена внутри трубчатого элемента, a больаий диаметр цип1гадрического элемента ра,вен наружному диаметру трубчатого элемента, при этом последний выполнен иэ материала с низкой теплопроводностью. 2.Устройство по п. 1, о т л и чающе е ся тем, что отношение меньшего и большого диаметров цилинд(Л рического элемента и отношение высоты цилиндрической части большего диа.метра к высоте всего цилиндрического .элемента составляют 0,01-0,99. 3.Устройство по п. 1, отличающееся тем, что колпак выполнен в виде сосуда Дьюара. со to со со ел