CN107943136B - 一种基于热传导与热对流的高效无磁温控装置 - Google Patents

Abstract

一种基于热传导与热对流的高效无磁温控装置，由对流调温舱、实验舱、辐射调温箱和冷却压缩机组成。其中冷却压缩机通过态的变化产生的冷液通过主冷管导入对流调温舱的冷却交换箱内，并经由冷却管流入冷却网，将循环风机吹出的空气冷却后经过加热网后从入风管进入实验舱的磁屏蔽舱体让调配好温度的空气流对舱内进行快速温度调控；冷却压缩机产生的另一部分冷液通过副冷管导入辐射温度控制箱，在辐射控制温度箱内安装有加热板和多个PT100热电阻通过温度调控后，采用潜水泵将调配好温度的液体通过冷传管传入辐射管，通过温度辐射对实验舱内的温度进行精准控制。本装置采用动态平衡方式对流与辐射结合进行调温，提高了***温控精度和速度。

Description

一种基于热传导与热对流的高效无磁温控装置

技术领域

本发明属于无磁智能温控领域，涉及一种高效无磁温控装置，更具体是涉及一种基于热传导与热对流的高效无磁温控装置。

背景技术

随着科技的不断前进，精密磁测量已经成为了现阶段的一个研究热点。为了得到更高灵敏度的磁信息，我们需要对各个可以实现磁信息测量的工具进行研究、对比，以得到最优化的精密测量工具并应用于各研究领域中。而现阶段，为了得到高灵敏度的磁信息检测，研究者们已经将重心转移到了利用电子自旋进行的磁信息检测的研究和控制。目前针对各种类型精密磁信息测量***中存在的使用环境要求高，***稳定性不高等问题，开展了利用金刚石NV色心电子自旋进行磁信息测量的基础研究，期望为未来的基于NV色心电子自旋的高灵敏度原子磁强计的应用奠定基础。

目前针对于温度对金刚石NV色心电子自旋的影响的研究也在不断推进的过程中，但温度对金刚石NV色心电子自旋的研究与无磁环境分割开了，目前针对于无磁环境下温度对金刚石NV色心的研究仍有许多空白需要补充。对于无磁高精度温度调控下金刚石NV色心电子自旋的研究受到实验条件及实验设备的限制无法做到较为精准的实验。

发明内容

本发明的目的是为了实现无磁并且温度可调控条件下金刚石NV色心电子自旋的研究而设计的一个专用实验台，提供了一个进行磁屏蔽并且在不引入磁干扰的情况下对金刚石周围温度进行精准调控的实验装置。

本发明巧妙的采用了多层坡莫合金制作而成的磁屏蔽舱体、无磁铜管和无磁PT100温度传感器结合的反馈调节机制，在不引入磁干扰的情况下对温度进行感知和调节；另一方面进行温度调节采用了热对流、热传导分布进行的方式配合温度调控的动态平衡实现了温度调控的高效化和高精确化，在温度调控方面具有开创性突破。

为了达到上述目的，本发明实现目的所采用的技术方案为：

一种基于热传导与热对流的高效无磁温控装置，包括对流调温舱、实验舱、辐射调温箱和冷却压缩机；

所述对流调温舱包括舱体安装架、舱体、加热网、冷却管、冷却网、冷却交换箱、循环风机和主冷管；其中舱体通过舱体安装架进行定位，舱体一头连接入风管另一头连接循环风机；舱体内靠近循环风机的一端间隔分布安装有冷却网，冷却网与冷却管相连，冷却压缩机通过主冷管与冷却交换箱连接，冷却交换箱与冷却管连接，冷却压缩机的冷液进入冷却交换箱后通过冷却管进入冷却网；舱体内靠近入风管的一端间隔分布安装有加热网，经过冷却网后的冷空气经过调好温度的加热网通过入风管进入实验舱；

所述实验舱包括入风管、出风管、磁屏蔽舱体、对流管、辐射管、安装底座、实验台固定架、实验台和无磁PT100温度传感器；由多层坡莫合金制作而成的磁屏蔽舱体通过安装底座安装定位，实验台固定架安装固定于磁屏蔽舱体内部，实验台固定架上安装有实验台，实验台固定架上方在实验台***安装有对流管和辐射管，通过对流管和辐射管对实验台进行温度控制调节；对流管和辐射管采用无磁铜管弯制而成，对流管在其内侧有一系列孔，对流管两端分别与入风管、出风管连接，方便将调配好的空气流进入磁屏蔽舱体，并直接流向实验台，辐射管通过温度辐射的形式向实验台进行温度场调节；

所述辐射调温箱包括冷传管、辐射温度交换箱、加热板、PT100热电阻、潜水泵和副冷管；冷却压缩机通过副冷管与辐射温度交换箱连接，辐射温度交换箱内部设有PT100热电阻、加热板和潜水泵，辐射温度交换箱通过冷传管和辐射管连接。

上述的一种基于热传导与热对流的高效无磁温控装置，对流管和辐射管中心处为螺旋状，对流管和辐射管的螺旋交叉层叠。

本发明较现有技术所具有的特点和有益效果主要是：

1、本发明巧妙的采用了热传导与热对流结合的方式，若实验舱内的温度与实验设定温度差值较大的时候，采用的是对流方式即通过调配好温度的空气流对实验舱内部进行快速调温；若实验舱内的温度与实验设定温度差值较小的时候，采用的是辐射方式即通过调配好温度的液体经过辐射管对实验舱内部进行精确调温。

2、本发明的温度调控采用动态平衡方式，磁屏蔽舱体内外进行温度传递在温差一定的时候是恒定的，在辐射温度交换箱中将调配好的温度液流入辐射管，对磁屏蔽舱体内进行温度补偿以达到动态平衡，避免了传统的单纯电加热的方式引入磁干扰。

3、本发明将温度动态调控与磁屏蔽所结合区别于已有的只能加热通过自动散热的方式慢速降温实验设备，可以进行温度精准调整，并且通过冷却与加热结合进行高效温控和高精度温控。

附图说明

图1为本发明一种基于热传导与热对流的高效无磁温控装置整体示意图。

图2为本发明所设计的实验舱等轴侧视图。

图3为本发明所设计的实验舱主视图。

图4为本发明所设计的实验舱俯视图。

图5为本发明所设计的流体管道***图。

图6为本发明所设计的流体管道***俯视图。

图7为本发明所设计的热辐射回路图。

图8为本发明所设计的热对流回路图。

图9为本发明所设计的热对流箱回路图。

图10为本发明所设计的热辐射箱回路图。

图11为本发明智能温控控制流程图。

图中：1-对流调温舱；2-实验舱；3-辐射调温箱；4-冷却压缩机。

1-1-舱体安装架；1-2-舱体；1-3-加热网；1-4-冷却管；1-5-冷却网；1-6 -冷却交换箱；1-7-循环风机；1-8-主冷管。

2-1-入风管；2-2-出风管；2-3-磁屏蔽舱体；2-4-对流管；2-5-辐射管；2-6-安装底座；2-7-试验台固定架；2-8-试验台；2-9-无磁PT100温度传感器。

3-1-冷传管；3-2-辐射温度交换箱；3-3-加热板；3-4 -PT100热电阻；3-5-潜水泵；3-6-副冷管。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式，对本发明作进一步详细说明，但本发明保护范围不限于下述实施例，凡采用等同替换或等效变换形式获得的技术方案，均在本发明保护范围之内。

如附图1到图4所示，为本发明的一种基于热传导与热对流的高效无磁温控装置，主要由对流调温舱1、实验舱2、辐射调温箱3和冷却压缩机4构成。

所述对流调温舱1由2个舱体安装架1-1，舱体1-2，3片加热网1-3，8个冷却管1-4，4片冷却网1-5，冷却交换箱1-6，循环风机1-7和2根主冷管1-8组成；其中所述圆柱形舱体1-2两端通过舱体安装架1-1进行定位，舱体1-2一头连接入风管2-1另一头连接循环风机1-7，舱体1-2内设有PT100热电阻；舱体1-2内部靠近循环风机1-7的一端间隔分布安装有4个冷却网1-5，通过两侧8根冷却管1-4与其相连，冷却压缩机4的冷液进入位于舱体1-2正下方的冷却交换箱1-6后通过8根冷却管1-4进入冷却网；舱体1-2内部靠近入风管2-1的一端间隔分布安装有3个加热网1-3，经过冷却网1-5后的冷空气经过调好温度的加热网1-3通过入风管2-1进入实验舱2。

进一步，上述冷却压缩机4通过态的变化产生的冷液通过主冷管1-8传送至对流调温舱1的长方体冷却交换箱1-6内，位于圆柱形舱体1-2下方的冷却交换箱1-6通过其上方两侧共8根冷却管将冷液传送入固定于舱体1-2内部靠近循环风机1-7一端的冷却网1-5内，对温度进行降温。循环风机1-7工作时产生的空气流较为恒定，经过冷却网1-5得到的冷却量是相对恒定的，经过PT100热电阻检测温度后，通过固定于舱体1-2靠近入风管2-1一端的3片加热网1-3进行定量加热并多次感知温度后，将调配好温度的空气流经过入风管2-1流入对流管2-4经过出风管2-2，再由循环风机1-7再次进入对流调温回路。

所述实验舱2由入风管2-1、出风管2-2、磁屏蔽舱体2-3、对流管2-4、辐射管2-5、安装底座2-6、实验台固定架2-7、升降实验台2-8、无磁PT100温度传感器2-9组成。

进一步，由多层坡莫合金制作而成的圆柱形磁屏蔽舱体2-3通过两端的安装底座2-6安装定位，实验台固定架2-7安装固定于磁屏蔽舱体2-3内部中心处，实验台固定架2-7中心设有螺纹孔，与实验台2-8通过螺纹连接，可以调整实验台2-8的高度，实验台固定架2-7上方在实验台2-8***安装有两圈对流管2-4和辐射管2-5，通过对流管2-4和辐射管2-5对升降实验台2-8中心处进行温度控制调节。

进一步，对流管2-4和辐射管2-5采用无磁铜管弯制而成，对流管2-4和辐射管2-5中心处为螺旋状，对流管2-4在其内侧有一系列孔，方便调配好的空气流进入磁屏蔽舱体2-3，并直接流向实验台2-8中心处，辐射管2-5通过温度辐射的形式向实验台2-8和外侧进行温度场调节。

所述辐射调温箱3由2个冷传管3-1，辐射温度交换箱3-2，加热板3-3，多个PT100热电阻3-4，潜水泵3-5和2根副冷管3-6组成。

进一步，冷却压缩机4将冷液通过副冷管3-6传入辐射温度交换箱3-2内部，经过PT100热电阻3-4检测得到温度，并通过加热板3-3进行温度调节，将调配好的温度使用潜水泵3-5经冷传管3-1进入辐射管2-5。

潜水泵3-5安装于辐射温度交换箱3-2的液体中，将调配好的温度液由二位四通电磁换向阀Y1控制，流入辐射管。二位四通电磁换向阀Y1安装于辐射温度交换箱3-2与冷传管3-1的连接处，控制辐射温度交换箱3-2内部的液体经过冷传管3-1流入位于磁屏蔽舱体2-3内的辐射管2-5中。

循环风机1-7将空气流压缩后流入磁屏蔽舱体2-3，由安装于舱体1-2出风口端部，即舱体1-2与入风管2-1之间的二位四通电磁换向阀Y4控制其是否流入。循环风机1-7出来的空气经过舱体2-3内部分别安置的加热网1-3与冷却网1-5调配好空气流温度。

冷却压缩机4中的泵将冷液经过主冷管1-8，由安装于冷却压缩机4中的二位四通电磁换向阀Y3控制冷液进入冷却交换箱1-6，并由冷却交换箱1-6将冷液分别由冷却管1-4进入冷却网1-5，对循环风机1-7输出的空气流进行冷却。

冷却压缩机4中的泵将另一路冷液由安装于冷却压缩机4中的二位四通电磁换向阀Y2控制冷液进入副冷管3-6，由副冷管3-6流入辐射温度交换箱3-2，对其内液体进行温度调节。

如附图5到图11所示，为本发明的一种基于热传导与热对流的高效无磁温控装置的整体流体回路和控制***实现。

所述整体流体回路分为热辐射回路、热对流回路、热对流箱回路和热辐射箱回路。这里热对流箱回路是对流调温舱1的舱体1-2内部进行温度调节，热辐射箱回路是对辐射温度交换箱3-2进行温度调节。再由对流调温舱1调配好温度的空气流经过入风管2-1进入实验舱1的对流管2-4，对磁屏蔽舱体2-3进行快速温度调节。由辐射温度交换箱3-2经过潜水泵3-5将调配好温度的液体经过冷传管3-1进入实验舱1的辐射管2-5，对磁屏蔽舱体2-3进行精确温度调节。

所述热对流回路工作原理为，由循环风机1-7工作将空气流经过冷却网1-5和加热网1-3，当Y4得电后经过入风管2-1进入对流管2-4对磁屏蔽舱体2-3进行调温。

所述热辐射回路工作原理为，由潜水泵3-5将辐射温度交换箱3-2内调配好的温度液在Y1得电的情况下经过冷传管3-1进入辐射管2-5对磁屏蔽舱体2-3进行调温。

所述热对流箱回路工作原理为，由冷却压缩机4通过泵在Y3得电的情况下，将冷液经过主冷管1-8传入冷却交换箱1-6，再由冷却交换箱1-6内的泵将冷液经过冷却管1-4传入冷却网1-5对空气进行降温。

所述热辐射箱回路工作原理为，由冷却压缩机4通过泵在Y2得电的情况下将冷液经过副冷管3-6传入辐射温度交换箱3-2，与加热板3-3配合将温度液调配好温度。

本发明的基于热传导与热对流的高效无磁温控装置的工作方法，具体是：

所述温度调控动态平衡控制实现，首先由实验台2-8上的无磁PT100温度传感器2-9读取当前温度T1，设定F=T1-实验设定值，在温度差值F大于0即需降温，F小于0即需升温。在F小于0需要升温的情况下在判断温差是否大于5度，若大于5度，采用热对流方式进行快速升温，加热对流调温舱1的加热网1-3，并用循环风机1-7将热空气流传入磁屏蔽舱体2-3内；若小于5度，采用热辐射方式进行精确调温，加热辐射温度交换箱3-2，使其温度达到补偿+设定温度后（补偿温度为实验台与外界热交换温度），通过冷传管3-1传入辐射管2-5中对磁屏蔽舱体2-3内部进行精确调温。反之在F大于0需要降温的情况下再判断温差是否大于5度，若大于5度，采用热对流方式进行快速降温，Y4得电，将制冷液进入冷却网1-5对空气流进行降温，通过循环风机1-7将冷空气传入对流管2-4；若温差小于5度，采用热辐射方式进行精准降温，Y1得电，将制冷液进入辐射温度交换箱3-2并开启加热板3-3将温度调整至补偿+设定温度后，潜水泵3-5开启循环，使用辐射管2-5对磁屏蔽舱体2-3进行恒定温度调控保持。

以上仅为本发明的实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些均属于本发明的保护范围。

Claims (2)

1.一种基于热传导与热对流的高效无磁温控装置，其特征在于包括对流调温舱（1）、实验舱（2）、辐射调温箱（3）和冷却压缩机（4）；

所述对流调温舱（1）包括舱体安装架（1-1）、舱体（1-2）、加热网（1-3）、冷却管（1-4）、冷却网（1-5）、冷却交换箱（1-6）、循环风机（1-7）和主冷管（1-8）；其中舱体（1-2）通过舱体安装架（1-1）进行定位，舱体（1-2）一头连接入风管（2-1）另一头连接循环风机（1-7）；舱体（1-2）内靠近循环风机（1-7）的一端间隔分布安装有冷却网（1-5），冷却网（1-5）与冷却管（1-4）相连，冷却压缩机（4）通过主冷管（1-8）与冷却交换箱（1-6）连接，冷却交换箱（1-6）与冷却管（1-4）连接，冷却压缩机（4）的冷液进入冷却交换箱（1-6）后通过冷却管（1-4）进入冷却网（1-5）；舱体（1-2）内靠近入风管（2-1）的一端间隔分布安装有加热网（1-3），经过冷却网（1-5）后的冷空气经过调好温度的加热网（1-3）通过入风管（2-1）进入实验舱（2）；

所述实验舱（2）包括入风管（2-1）、出风管（2-2）、磁屏蔽舱体（2-3）、对流管（2-4）、辐射管（2-5）、安装底座（2-6）、实验台固定架（2-7）、实验台（2-8）和无磁PT100温度传感器（2-9）；由多层坡莫合金制作而成的磁屏蔽舱体（2-3）通过安装底座（2-6）安装定位，实验台固定架（2-7）安装固定于磁屏蔽舱体（2-3）内部，实验台固定架（2-7）上安装有实验台（2-8），实验台固定架（2-7）上方在实验台（2-8）***安装有对流管（2-4）和辐射管（2-5），通过对流管（2-4）和辐射管（2-5）对实验台（2-8）进行温度控制调节；对流管（2-4）和辐射管（2-5）采用无磁铜管弯制而成，对流管（2-4）在其内侧有一系列孔，对流管（2-4）两端分别与入风管（2-1）、出风管（2-2）连接，方便将调配好的空气流进入磁屏蔽舱体（2-3），并直接流向实验台（2-8），辐射管（2-5）通过温度辐射的形式向实验台（2-8）进行温度场调节；

所述辐射调温箱（3）包括冷传管（3-1）、辐射温度交换箱（3-2）、加热板（3-3）、PT100热电阻（3-4）、潜水泵（3-5）和副冷管（3-6）；冷却压缩机（4）通过副冷管（3-6）与辐射温度交换箱（3-2）连接，辐射温度交换箱（3-2）内部设有PT100热电阻（3-4）、加热板（3-3）和潜水泵（3-5），辐射温度交换箱（3-2）通过冷传管（3-1）和辐射管（2-5）连接。

2.根据权利要求1所述的一种基于热传导与热对流的高效无磁温控装置，其特征在于对流管（2-4）和辐射管（2-5）中心处为螺旋状，对流管（2-4）和辐射管（2-5）的螺旋交叉层叠。