Устройство для теплофизических измерений

 

1. УСТРОЙСТВО ДЛЯ ТЕШ1(Ж ЗИЧЕСКИХ ИЗМЕРЕНИЙ, содержащее теплопровод, 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

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК (l% (И)

3сЮ 001 Н25 18

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССР

r1O ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТКРЫТИЙ (21) 3586412/18-25 (22) 31.01.83 (46) 15. 05. 84. Бюл. Ф 18 (72) Б.А.Мерисов, А.А. Завгородний и О.А.Гавренко (71) Харьковский государственный университет им. А.И.Горького (53) 536.629.7(088.8) (56) 1. Авторское свидетельство СССР

Ф 888021, кл. С 01 N 25/18, 1980.

2. Kine, Apparatur fur Messungen

von Marmekapazitaten zvischen 2 und

30K. — "Experimentelle Technik der

Physik" 1977, 8 4, s. 300-304. (54)(57) 1. УСТРОЙСТВО ДЛЯ ТЕПЛОФИЗИЧЕСКИХ ИЗМЕРЕНИЙ, содержащее 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, отличающеес я тем, что, с целью расширения температурного диапазона измерений, 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 больший диаметр цилиндрического элемента ра,вен наружному диаметру трубчатого элемента, при этом последний выполнен из материала с низкой теплопроводностью, 2. Устройство по п. 1, о т л и— ч а ю щ е е с я тем, что отношение меньшего и большого диаметров цилиндрического элемента и отношение высоты цилиндрической части большего диаметра к высоте всего цилиндрического ,элемента составляют 0,01-0,99.

3. Устройство о п. 1, о т л и— ч а ю щ е е с я тем, что колпак выполнен в виде сосуда Дьюара.

3092395

Изобретение относится к области измерений, в частности к устройствам для теплофизических измерений при низких температурах, и может быть использовано при теплофизических изме- 5 рениях в магнитных полях.

Известно устройство для теплофизических измерений, содержащее блок нагрева образца, пластину иэ высокотеплойроводного 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 гофрированньи листов, регулируют температуру холодной границы образца j1j .

Недостатком этого устройства яв- 0 ляется невозможность проведения точных измерений.в широком интервале температур, например llpH сверхнизких температурах (2-20 К), так как в этой области температур металлические гоф-2 ры, сдавливаемые ванной с криогенной жидкостью, теряют свои упругие свойства и начинают деформироваться пластически. Это приводит практически к выводу устройства нз строя. 30

Наиболее близким к предлагаемому по технической сущности является устройство для теплофизнческих измерений, содержащее теплопровод, состоящий из цилиндрического и трубчатого элементов, выполненных из материала с высокой теплопроводностью, например меди, колпак и измерительную ячейку, одетые на теплопровод с воз40 можиостью перемещения. Цилиндрический элемент расположен внутри трубчатого элемента и сопрягается с ним. Трубчатый элемент закреплен на мембране.

Измерительная ячейка включает в себя

45 монтажную плату с образцом, нагревательную печь, нагреватель электрЬнно-, го управления, термометры, рычажные контакты, противоизлучающий экран и другие элементы, обеспечивающие проведение измерений. Нагреватель электронного управления расположен на монтажной плате, которая прикреплена к цилиндрическому элементу. В качестве криогенной жидкости используется жидкий гелий. Температура монтажной платы, задающей температуру холодного края образца, регулируется изменением давления жидкого гелия над мембраной путем регулирования положения колпака или печкой электронного управления. Для расширения температур. ного диапазона измерений производят смену криогенной жидкости, например иидкий гелий — кидкий кодой;д (2) .

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 малог-. теплосопротивления теплопровода., так как все элементы теплопровода выполнены из высокотеплопроводного материала.

Цель изобретения — расширение температурного диапазона измерений.

Поставленная цель достигается тем, что в устройстве для теплофизических измерений, содержащем теплопровод, состоящий нз цилиндрического элемента, выполненного из высокотеплопроводного материала, например меди, и трубчатого элемента, колпак, одетый на теплопровод с возможностью перемещения вдоль его осий 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 внугри трубчатого элемента, а больший диаметр цилиндрического элемента равен наружному дчаметру е трубчатого элемента, выполненного из материала с низкой теплопроводностью.

Отношение меньшего и. большего диаметров цилиндрического элемента и отношение высоты цилиндрической части большего диаметра к высоте всего цилиндрического элемента составляет

0,03-0,99, при этом колпак выполнен в виде сосуда Дьюара.

Выполнение теплопровода указанным образом позволяет изменять его тепловое сопротивление путем изменения

,положения колшака в диапазоне гораздо более широком, чем в известном устройстве, Выбор соотношения диаметров определяется необходимостью вакуумной изоляции части цилиндрического элемента меньшего диаметра от трубчатого элемента из нержавеющей стали (т.е.; достаточно обеспечить вакуумный saзор t мм), а также прочностью

1092395 (жесткостью) нижней части цилиндрического элемента.

Высота части меньшего диаметра цилиндрического элемента является определяющей для расширения температурно- 5 го диапазона, перекрываемого с использованием данного устройства, и определяется длиной трубчатого элемента из нержавеющей стали (эта высота должна быть равна длине трубчатого элемента) . Высота части больше- го диаметра цилиндрического элемента должна быть больше ее диаметра для выполнения условия "поршня".

Соотношение высот выбирается исходя из конкретных размеров гелиевого криостата.

tO

Колпак, выполненный 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 теплофизических измерений применительно к .случаю измерения коэффициента теплопроводности, общий вид.

Устройство для измерения коэффициента теплопроводности содержит теплопровод, состоящий из цилиндрического элемента 1 и трубчатого элемента 2.

Цилиндрический элемент состоит из двух медных цилиндров разного диаметра,большего вверху и меньшего внизу.

Приэтом диаметр верхнего цилиндра цилиндрического элемента 1 и наружный

40 диаметр трубчатого элемента 2 равны между собой. Трубчатый элемент 2 соосно прикреплен к верхнему цилиндру цилиндрического элемента 1 таким образом, что нижний цилиндр цилиндри45 ческого элемента 1 расположен внутри трубчатого элемента 2, а боковые поверхности верхнего цилиндра цилиндры. ческого элемента 1 и трубчатого элемента 2 образуют сплошную цилиндри» ческую поверхность. Трубчатый элемент

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 теплопро- > вода и внутренней боковой поверхностью колпака 3 выбран таким образом чтобы обеспечить выполнение условия 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 ? 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 8 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 измеряется при помощи термометров 11, 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 1 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 находится в области температур, близких .к температуре криогенной жидкости.

При перемещении колпака 3 до положения, при котором его нижняя кромка ,раходится ниже уровня А, тепловая связь с образцом В ухудшается, так как цилиндрический элемент 1 контактирует с криогенной жидкостью через трубчатый элемент 2, выполненный нз

,.OS239 нержавеющей стали, что резко повыша ет теплосопротивление теплопровода, При этом положении колпака 3 темпера:. тура образца 8 находится в области температур значительно больших, чем температура криогенной жидкости.

Изменяя высоту той части трубчатого элемента 2, через которую осуществляется тепловая связь между цилиндрическим элементом 1и криогенной жидкостью, перемещением вверх или вниз колпака 3, изменяют величину теплового сопротивления теплопровода, тем самым изменяя температуру хо-. лодного конца ооразца 8. Для более тонкой регулировки температуры образца 8 используют печи 9 и 10. Температура образца 8 контролируется двумя термометрами 11.

Но сравнению с базовым объектом, т емпературный диапазон измерений ко5 торой составляет 2-30 К при использовании в качестве криогенной жидкости жидкого гелия и жидкого водорода, предлагаемое устройство позволяет проводить измерения в диапазоне 2—

80 K при использовании только жидкого гелия. Наряду с расширением температурного диапазона измерений э предлагаемом устройстве отпадает необходимость применять жидкий:,. дород, что устраняет опасность, связанную с получением, хранением и использованием жидкого водорода.