一种用于闭循环低温恒温器的变温高压气体插件

1.本发明涉及高低温环境耦合高压气体环境相关研究领域，具体涉及一种用于闭循环低温恒温器的变温高压气体插件。


背景技术：

2.在高压低温环境下利用中子束对物质进行研究，能够分析物质本身以及物质的反应、合成过程，因此温度和压力这两个基本物理量，在物质科学影响因素研究中是其他物理量所无法替代的。通常的研究中，只能开展温度或压力单一因素对物质的影响，多场条件的耦合具有挑战性。
3.高压环境通常使用固体介质和液体介质作为传压介质来实现对物质增压，因为固体介质和液体介质具有较小的体积压缩比，使用比较安全，缺点为静水压性能相对较差。一些应用中，采用气体介质作为高压环境的传压介质，因为气体介质具有较好的流动性，静水压效果较好，不会对样品造成压力梯度。通过对气体介质增压，将压力传导至样品，实现样品达到高压的目的。然而，气体介质的缺点是高压气体难以密封，尤其是使用氦气介质；并且，在低温条件下气体介质容易液化或固化。


技术实现要素：

4.本发明主要解决的技术问题是实现高压气体的密封，高低温实验条件下的控制与温度和压力两场的耦合，以满足多场耦合样品环境的需要，为物质科学的研究提供丰富的环境。
5.本技术提供了一种用于闭循环低温恒温器的变温高压气体插件，包括：
6.控制机构，包括：控制阀，所述控制阀的进口端用于外接抽真空设备或者预设高压气源；
7.输气机构，包括：输气管，输气加热组件，插件，以及密封连接组件；所述插件设有贯穿通道，所述输气管穿设于所述贯穿通道，所述输气管的两端均外露于所述贯穿通道，且所述输气管与所述贯穿通道的两个通道口之间均密封；所述输气管的一端与所述控制阀的出口端连通；所述输气加热组件用于对所述输气管加热；所述密封连接组件设置在所述插件上，所述插件用于插入至所述闭循环低温恒温器的插孔，所述密封连接组件用于将所述插件与所述闭循环低温恒温器的插孔的孔口处密封连接；
8.储样机构，包括：承压体，封堵组件，以及样品加热组件；所述承压体的内部具有用于储存样品的储样空间，所述承压体上还设有均与所述储样空间连通的连通通道和进样通道，所述输气管的另一端与所述连通通道之间固定且密封连接，所述封堵组件可拆卸地连接于所述进样通道；所述样品加热组件用于加热所述储样空间。
9.依据上述实施例的用于闭循环低温恒温器的变温高压气体插件，通过输气管向储样空间输送高压气体，对样品进行加压，通过样品加热组件对储样空间加热，从而耦合高低温、高压的中子散射实验条件，并利用了高压气体不会产生压力梯度的特性，使得样品能够
获得均匀的压力，进而提高实验结果的准确性。
附图说明
10.图1为本技术提供的用于闭循环低温恒温器的变温高压气体插件的结构示意图一；
11.图2为本技术提供的用于闭循环低温恒温器的变温高压气体插件的结构示意图二；
12.图3为本技术提供的用于闭循环低温恒温器的变温高压气体插件去除插件的结构示意图；
13.图4为本技术提供的用于闭循环低温恒温器的变温高压气体插件中储样机构的剖面图；
14.图5为本技术提供的用于闭循环低温恒温器的变温高压气体插件应用于闭循环低温恒温器的示意图；
15.图6为图5的剖面图。
具体实施方式
16.下面通过具体实施方式结合附图对本发明作进一步详细说明。其中不同实施方式中类似元件采用了相关联的类似的元件标号。在以下的实施方式中，很多细节描述是为了使得本技术能被更好的理解。然而，本领域技术人员可以毫不费力的认识到，其中部分特征在不同情况下是可以省略的，或者可以由其他元件、材料、方法所替代。在某些情况下，本技术相关的一些操作并没有在说明书中显示或者描述，这是为了避免本技术的核心部分被过多的描述所淹没，而对于本领域技术人员而言，详细描述这些相关操作并不是必要的，他们根据说明书中的描述以及本领域的一般技术知识即可完整了解相关操作。
17.另外，说明书中所描述的特点、操作或者特征可以以任意适当的方式结合形成各种实施方式。同时，方法描述中的各步骤或者动作也可以按照本领域技术人员所能显而易见的方式进行顺序调换或调整。因此，说明书和附图中的各种顺序只是为了清楚描述某一个实施例，并不意味着是必须的顺序，除非另有说明其中某个顺序是必须遵循的。
18.本文中为部件所编序号本身，例如“第一”、“第二”等，仅用于区分所描述的对象，不具有任何顺序或技术含义。而本技术所说“连接”、“联接”，如无特别说明，均包括直接和间接连接(联接)。
19.本技术提供了一种用于闭循环低温恒温器的变温高压气体插件，主要为中子散射实验提供高压和高低温相耦合的实验环境，利用中子束对样品(例如，材料)以及样品的反应、合成过程的研究，通过输气管向储样空间中输送高压气体，对样品进行加压，使样品处于高压环境中。通样品加热组件对储样空间的加热，使样品处于可控的高低温环境中。如此，不仅可以耦合高低温、高压的样品环境的需要，同时，利用了高压气体不会产生压力梯度的特性，使得样品能够获得均匀的压力。
20.参见图1-图4所示，本实施例提供的用于闭循环低温恒温器的变温高压气体插件，包括：控制机构10，输气机构20，以及储样机构30。储样机构30中储存有样品，将储样机构30置于闭循环低温恒温器100的内部，可为样品提供低温环境。控制机构10可以将外接抽真空
设备或者预设高压气源与输气机构20连通，通过控制机构10的控制使得输气机构20对储样机构30中的储样空间抽真空或者输入高压气体进行加压，储样机构30还可对储样空间中的样品进行加热，从而可以满足中子散射实验所需的变温高压环境。
21.控制机构10包括：控制阀11，控制阀11具有进口端和出口端，控制阀11的进口端用于外接抽真空设备或者预设高压气源。控制阀11采用针阀，针阀具有打开状态和关闭状态，在打开状态下，可将外接的抽真空设备或者预设高压气源通过输气管与储样空间连通，以通过抽真空设备对储样空间抽真空，或者，通过预设高压气源所产生的高压气体对储样空间中的样品进行加压。在关闭状态下，与外接的抽真空设备或者预设高压气源断开连接。
22.输气机构20包括：输气管21，输气加热组件22，插件23，以及密封连接组件24。插件23的内部设有贯穿式的贯穿通道(图中未示出)，输气管21穿设于贯穿通道。输气管21的两端均外露于贯穿通道，并且，输气管21与贯穿通道的两个通道口之间均密封。输气管21的一端与控制阀11的出口端连通，通过与控制阀11的进口端外接的抽真空设备对储样空间抽真空，或者，通过与控制阀11的进口端外接的预设高压气源向储样空间中的样品提供高压气体，以对样品加压。输气加热组件22用于对输气管21加热，密封连接组件24设置在插件23上，插件23用于插入至闭循环低温恒温器100的插孔101，密封连接组件24用于将插件23与闭循环低温恒温器100的插孔101的孔口处密封连接，从而通过闭循环低温恒温器100使得样品可处于满足中子散射实验要求的低温环境。
23.本实施例中，输气管21与插件23的贯穿通道之间密封，避免外界空气进入到贯穿通道中，进而避免经外接预设高压气源进入的高压气体液化或固化，保证样品能够收到均匀的加压效果。同时，由于插件23插入到闭循环低温恒温器中而处于低温环境下，通过输气加热组件组件22对输气管21加热，也可避免高压气体液化或固化。
24.优选的实施例中，输气加热组件22通常采用加热丝，加热丝沿输气管21的长度方向、以螺旋的方式缠绕在输气管21的外壁上，一方面，保证输气管21受热均匀，避免高压气体在低温环境下凝固成液体或者固体，进而可避免样品受到梯度变化的压力，提高实验的准确性，另一方面，可节省加热丝的安装空间。当然，在其他实施例中，输气加热组件22也可采用其他方式，并设置在贯穿通道中，同样可对输气管21进行加热。
25.在一实施例中，插件23为杆状，沿杆状结构的插件23的长度方向，在插件23的中心开设贯穿插件23的贯穿通道。优选的实施例中，贯穿通道的中心线与杆状结构的插件23的轴心线重合。本实施例中，插件23为管状，管状结构的插件23的内管即为贯穿通道，贯穿通道的两端均为端口式结构，并且，输气管21与插件23保持同轴。
26.本实施例中，在贯穿通道的一通道口处设置有真空密封组件28，输气管21穿设的真空密封组件28中，能够达到密封效果。当然，在其他实施例中，在贯穿通道的两个通道口处都可设置真空密封组件。
27.参见图3所示，输气机构20还包括：输气温度检测调控单元25，输气温度检测调控单元25的输出端与输气加热组件22的输入端电连接，输气温度检测调控单元25用于检测输气管21的温度，并根据预设输气温度调节输气加热组件22的加热温度。
28.本实施例中，输气温度检测调控单元25通过检测的输气管21的温度与预设输气温度进行比较，当检测的输气管21的温度低于预设输气温度时，增大输气加热组件22的功率，以增大输气加热组件22的加热温度；当检测的输气管21的温度高于预设输气温度时，降低
输气加热组件22的功率，以降低输气加热组件22的加热温度。从而，调控输气加热组件22的加热功率大小。
29.一些实施例中，预设输气温度可以是某段温度范围区间。
30.继续参见图3所示，在输气管21上还设置有固定块，将输气温度检测调控单元25设置在该固定块上。该固定块包括第一半固定件261和第二半固定件262，第一半固定件261和第二半固定件262呈抱箍状固定在输气管21上。
31.参见图1-图4所示，储样机构30包括：承压体31，封堵组件32，以及样品加热组件33。承压体31为能够承受高压的结构，如图4所示，承压体31的内部具有储样空间310，储样空间310用于储存样品，该样品可以是某种材料，通过中子散射效应对样品进行中子散射实验，以分析样品的反应、合成过程，进一步得到样品的结构特征。承压体31上还设有连通通道311和进样通道312，连通通道311和进样通道312均与储样空间310连通，输气管21的另一端与连通通道311之间固定且密封连接，封堵组件32可拆卸地连接于进样通道312，在封堵组件32安装在进样通道312时，可密封封堵进样通道312，在封堵组件32从进样通道312拆卸后，可通过进样通道312将样品放入到储样空间310中。样品加热组件33用于加热储样空间310，从而可使样品处于高温环境中。
32.在一实施例中，样品加热组件33可以设置在储样空间310中，直接对样品进行加热，亦或者，样品加热组件33设置在承压件31上，承压件31采用可承受高压且可导热的材料制作，以通过热传导的方式对储样空间310进行加热。
33.本实施例中，封堵组件32包括：封堵螺母321和封堵钢珠322，进样通道312设有螺纹段，封堵螺母321可螺接在该螺纹段中，在进样通道312与储样空间310的连接处设置有锥型槽313，将封堵钢珠322放置在该锥型槽313，并通过封堵螺母321将封堵钢珠322顶紧在锥型槽313中，利用封堵钢珠322表面的光洁度，顶紧锥型槽313，从而可增大封堵钢珠322与锥型槽313之间的接触面积，达到密封效果。
34.继续参见图4所示，在连接通道311的通道壁上设置有螺套323，在螺套323中螺接有螺母324，在螺母324的内部设有贯穿螺母轴向方向的通孔，该通孔与连接通道311同轴，将输气管21的另一端穿设在通孔中。本实施例中，输气管21的另一端的端部也可采用锥型形状，增大接触面积，以保证气密性。
35.如图1-图3所示，本实施例中，储样机构30还包括：样品温度检测调控单元34，样品温度检测调控单元34的输出端与样品加热组件33的输入端电连接，样品温度检测调控单元34用于检测储样空间310的温度，并根据预设样品温度调节样品加热组件33的加热温度。
36.本实施例中，样品温度检测调控单元34通过检测的储样空间310的温度与预设样品温度进行比较，当检测的储样空间310的温度低于预设样品温度时，增大样品加热组件33的功率，以增大样品加热组件33的加热温度；当检测的储样空间310的温度高于预设样品温度时，降低样品加热组件33的功率，以降低样品加热组件33的加热温度。从而，调控样品加热组件33的加热功率大小。
37.一些实施例中，预设样品温度同样可以是某段温度范围区间。
38.本实施例中，样品温度检测调控单元34和样品加热组件33都设置有两个，两个样品温度调控单元34和两个样品加热组件33分别对称设置，相互对称的设置方式有助于两个样品加热组件33能够对储样空间310均匀加热，同时，相互对称的设置方式有助于两个样品
温度检测调控单元34能够获得准确的检测温度，使得实验数据更加准确。
39.在一实施例中，在承压体31的外侧还设置有两个抱箍35，两个样品温度调控单元34和两个样品加热组件33分别相互对称的设置在两个抱箍35上。
40.继续参见图1-图3所示，本技术所提供的用于闭循环低温恒温器的变温高压气体插件还包括：测温连接插头40和加热连接插头50，测温连接插头40与输气温度检测调控单元25和两个样品温度检测调控单元34电连接，以通过测温连接插头40将输气温度检测调控单元25和两个样品温度检测调控单元34与外接显示设备连接，通过显示设备显示输气温度检测调控单元25和两个样品温度检测调控单元34所测得的温度值。加热连接插头50与输气加热组件22和样品加热组件33电连接，以加热连接插头50将输气加热组件22和样品加热组件33与外接电源连接，通过外接电源对输气加热组件22和样品加热组件33提供电源，保证其正常运行。
41.本实施例中，密封连接组件24为法兰结构，测温连接插头40和加热连接插头50都设置在法兰结构的密封连接组件24的上表面241，该上表面在将本插件插入到闭循环低温恒温器后外露于闭循环低温恒温器，以便于与外接显示设备和电源进行连接。
42.一些实施例中，本技术所提供的用于闭循环低温恒温器的变温高压气体插件还可包括：控制器，输气温度检测调控单元25和样品温度检测调控单元34均与控制器的输入端电连接，输气加热组件22和样品加热组件33均与控制器的输出端电连接。输气温度检测调控单元25检测的输气管21的温度可输出给控制器，控制器可根据检测的输气管21的温度与预设输气温度生成相应的控制信号，并将该控制信号输出给输气加热组件22，以调节输气加热组件22的加热功率。同样的，样品温度检测调控单元34检测的储样空间310的温度可输出给控制器，控制器可根据检测的储样空间310的温度与预设样品温度生成相应的控制信号，并将控制信号输出给样品加热组件33，以调节样品加热组件22的加热功率。
43.本技术所提供的用于闭循环低温恒温器的变温高压气体插件还包括：位移调整机构60，本实施例中，输气管21可相对于贯穿通道的两个通道口往复滑动，例如，贯穿通道的两个通道口处设置的密封组件都为密封环，通过密封环不仅可起到密封的作用，同时，输气管21还可相对于密封环往复滑动。控制阀11和插件23均与位移调整机构60连接，位移调整机构60用于带动输气管21相对于贯穿通道往复移动，以改变承压体31的位置。
44.一些实施例中，密封连接组件24设置在插件23靠近控制阀11的一端端部，将密封连接组件24与位移调整机构60进行连接，以使插件23间接的连接在位移调整机构60上。
45.本实施例中，输气管21与贯穿通道保持同轴关系，位移调整机构60带动输气管21沿贯穿通道轴心线往复移动，由于控制阀11固定连接在输气管21的一端，承压体31密封固定在输气管21的另一端，从而在沿贯穿通道轴心线往复移动的输气管21可带动承压体31同步往复移动，以改变承压体31的相对位置，即改变储样空间310的相对位置。在进行中子散射实验时，若储存在储样空间310中的样品数量较少，样品只能在储样空间310的底部，通过改变承压件31的位置，即可改变储样空间310中样品的位置，将样品移至中子束流的中心，以保证经过样品的中子束流的中心通量最高，提高实验效率并提高实验结果的精度。
46.本实施例中，位移调整机构60包括：固定件61和滑动件62，控制阀11设置在滑动件62上，插件23连接在固定件61上，滑动件62可相对于固定件61往复滑动，从而可带动输气管21相对于贯穿通道往复滑动，进而改变承压件31的相对位置。
47.一些实施例中，在固定件61上设置有滑轨，在滑动件62上设置滑块，滑块可滑动的设置在滑轨上，并且，滑轨可对往复滑动的方向进行导向。
48.如图1-图3所示，控制机构10还包括：安全阀12，该安全阀12连接在控制阀11的出口端与输气管21的一端之间，具体的是，安全阀12通过连通管路110与控制阀12的出口端连接，控制阀12的进口端通过连接管路120与输气管21的一端连接。在安全阀12的内部设置有可承受预设压强范围的爆破片，该安全阀12用于在输气管21中的气压压强大于预设压强范围时，进行泄压，以避免输气管21在其内部气压压强大于预设压强时爆炸的风险，提高设备安全性。
49.上述实施方式中，由于控制阀11需要经常操作，因此采用的连接管路120的管径应大于输气管21的管径，管径较大的连接管路120牢固耐用，且能够降低气体泄漏的风险。因此，为保证连接管路120与输气管21的连接，本控制机构10还包括：变径接头13，该变径接头13设置在安全阀12与输气管21的一端之间。
50.本实施例中，安全阀12和变径接头13都设置在滑动件62上，不仅可保证与控制阀11之间的有效连接，同时，还可节省各部件之间连接管路成本。当然，在不考虑连接效果和成本的前提下，安全阀12和变径接头13也可连接在其他结构上，相应的，为保证控制阀11能够随滑动件62同步移动，相应的连通管路110和连接管路120可采用足够的长度，或者，采用足够程度的软管。
51.一些实施例中，为便于对真空度和高压气体进行测量，在连通管路110和/或连接管路120上还可设置真空度检测组件和气压检测组件。真空度检测组件通常采用真空规，真空规可在外接抽真空设备抽真空后测量储样空间310的真空度，并在达到预设真空度的情况下，完成抽真空作业。气压检测组件通常采用气压表，气压表可在外接预设高压气源向储样空间310提供高压气体，并在达到预设压强的情况下，完成高压气体的输送。
52.本实施例中，输气机构20还包括：多个隔热件27，各隔热件27等间距的设置在插件23上，并且，所有的隔热件27都位于密封连接组件24与输气管21的另一端之间。在将插件23插入到闭循环低温恒温器100的插孔101中后，各隔热件27支撑在闭循环低温恒温器100的插孔101的孔壁上，所有的隔热件27用于阻隔插孔101与插件23之间的热传导，避免闭循环低温恒温器100与插件23之间的热传导。不仅可保证输气管21中预设气压气源避免凝固成液体或固体，还可有效节省输气加热组件22的加热量，节省成本。
53.在一实施例中，输气机构20还包括：定位缓冲组件26，定位缓冲组件26用于在插件23插入至闭循环低温恒温器100的插孔101时，定位并缓冲插件23。
54.本实施例中，定位缓冲组件26包括：滑动导热件261以及弹性缓冲件262。插件23上还设置有限位部231，滑动导热件261可滑动的设置在插件23上，并且，滑动导热件261位于限位部231以及最靠近承压体31的隔热件27之间。以插件23为竖直方向为例，最靠近承压体31的隔热件27为最底部隔热件27.滑动导热件261用于卡持在闭循环低温恒温器100的插孔101中，并与承压体31之间热传导。弹性缓冲件262设置在滑动导热件261与靠近承压体31的隔热件27之间，用于缓冲滑动导热件261。
55.上述实施例中，滑动导热件261为筒状结构的滑动导热件，弹性缓冲件262为弹簧，筒状结构的滑动导热件和弹簧都套设在插件23上。
56.本技术所提供的用于闭循环低温恒温器的变温高压气体插件的工作过程如下：
57.打开封堵螺母321，移出封堵钢珠322，将样品经进样通道312装入至储样空间310的内部，放入封堵钢珠322，将封堵螺母321重新螺接在进样通道312。
58.将插件23插入至闭循环低温恒温器100的插孔101中，并将密封连接组件24与插孔101的孔口处密封连接，开启闭循环低温恒温器100。通过控制阀11外接抽真空设备，启动抽真空设备并打开控制阀11，对储样空间310抽真空，达到所需真空度后关闭控制阀11，并拆除抽真空设备。
59.开启输气加热组件22的加热功能，对输气管21加热，并通过输气温度检测调控单元25检测输气加热组件22的加热温度，并根据预设输气温度调控输气加热组件22的加热功率，防止高压气体凝固成液体或固体。
60.开启样品加热组件33的加热功能，对储样空间310加热，并通过样品温度检测调控单元34检测样品加热组件33的加热温度，并根据预设样品温度调控样品加热组件33的加热功率，使其达到满足进行中子散射实验所需的温度。
61.将外接预设高压气源与控制阀11连接，打开控制阀，向储样空间310中注入高压气体(气体的类型可根据实验要求选择)，当达到满足中子散射实验所需的压强时，关闭控制阀11。
62.开启束流设备，向储样空间310中的样品提供中子束流以进行中子散射实验。
63.待实验结束后，打开控制阀11，将高压气体排出，并关闭输气加热组件22和样品加热组件33，拔出插件23，拆卸封堵螺母321和封堵钢珠322，取储样品，完成实验。
64.需要说明的是，在实验进行过程中，输气温度检测调控单元25和样品温度检测调控单元34分别实时检测、调控输气加热组件22和样品加热组件33的温度。
65.综上所述，本实施例所提供的用于闭循环低温恒温器的变温高压气体插件，通过输气管向储样空间输送高压气体，对样品进行加压，通过样品加热组件对储样空间加热，从而耦合高低温、高压的中子散射实验条件，并利用了高压气体不会产生压力梯度的特性，使得样品能够获得均匀的压力，进而提高实验结果的准确性。
66.以上应用了具体个例对本发明进行阐述，只是用于帮助理解本发明，并不用以限制本发明。对于本发明所属技术领域的技术人员，依据本发明的思想，还可以做出若干简单推演、变形或替换。