CN110118451A - 热容热阻双效耦合的深低温高精度控温装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种热容热阻双效耦合的深低温高精度控温装置，装置包括制冷机、氦罐、热阻片、防辐射屏组、真空罩、温度计、加热器、管路、控温仪以及常温氦储罐和真空泵；制冷机为一级冷头和二级冷头构成的二级制冷机；氦罐与常温氦储罐连接并对氦罐抽除或充氦；防辐射屏组为一级冷屏、二级冷屏和绝热屏构成的三层屏组；在恒温块上设置温度计；热阻片被夹持安装于恒温块和高热容氦罐之间；制冷机的二级冷头、氦罐、热阻片、恒温块依次串连；装置通过耦合热容法与热阻法两种热扰动传递抑制方法，同时搭配多重防辐射屏组，可将控温目标区域受外界的干扰降至亚毫开级，实现高稳定度的低温控温，可应用于低温精密环境。
Description
技术领域
本发明涉及低温温度控制技术，尤其涉及一种热容热阻双效耦合的深低温高精度控温装置。
背景技术
在热力***相关的科研和工程领域，温度始终是研究人员最关注的物理量之一，而温度传感器是人们目前获取温度信息的主要方式。对于目前使用的大多数温度传感器，由于材料自身纯度和加工工艺的差别，并不具有准确划一的分度表。即使对于同一厂商生产的同种温度传感器，也会有一定的差异。为了在科研和工程项目中获取更为准确可靠的温度数据，温度传感器的标定工作尤为重要。常用的温度传感器标定方法为稳态标定，该标定方式需要构建一个在一定区间内受控的稳定温度环境，通过对比标准温度传感器与待标温度传感器的物理量值，拟合出分度表。该方法对低温温区的高精度控温提出了极高的要求。此外，诸多其他科研工作也对高度稳定的恒温低温环境提出了要求，如航天材料性质的测试等。
对于深低温温度标定，以往大都采用液氦等低温流体浴作为低温冷源。由于液氦价格昂贵且稀缺，近年来有趋势采用小型低温制冷机取代液氦作为冷源。在真空绝热保护下，通过热补偿的方式控制目标区域的温度。但是采用制冷机方案的一个先天性缺点是，制冷机自身存在的周期性热扰动，会使得目标区域的温度也发生周期性波动。目前常用的制冷机多采用在制冷机冷头处形成热容体，对冷头处的温度波动进行抑制，或使用不锈钢片做为热阻片，对制冷机冷头温度波动抑制，但是单一使用该方式时，制冷机降温时间大幅度延长，能耗较大，此外还有填充磁性稀土的方式，但这种方式对于部分对磁场敏感的温度计而言不适合，比如低温下常用的铑铁温度计。因此，在深低温领域急需一种稳定控温的制冷机。
发明内容
为了克服现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种热容热阻双效耦合的深低温高精度控温装置。
本发明的目的采用以下技术方案实现：
一种热容热阻双效耦合的深低温高精度控温装置，装置包括制冷机、氦罐、热阻片、防辐射屏组、真空罩、温度计、加热器、管路、控温仪以及常温氦储罐和真空泵；所述制冷机为包括一级冷头和二级冷头构成的二级制冷机；所述氦罐与外界的常温氦储罐通过所述管路连接，并对氦罐抽除或者充入氦气；所述的防辐射屏组为包括从外到内依次设置的一级冷屏、二级冷屏和绝热屏的三层屏组结构；装置还包括由表面镀金处理的无氧铜构成的恒温块，在所述恒温块上设置温度计；热阻片被夹持安装于恒温块和高热容氦罐之间；所述制冷机的二级冷头、氦罐、热阻片、恒温块依次串连；位于最内侧的绝热屏与恒温块连接并包覆恒温块，位于中间的二级冷屏与氦罐连接，位于最外侧的一级冷屏与制冷机的一级冷头连接；在真空罩通过其筒体上设置的三个KF接口、即穿舱接口与外部的真空泵、控温仪、常温氦储罐和真空泵连通。
优选的，所述制冷机的一级冷头与防辐射屏组的一级冷屏连接，制冷机的二级冷头与氦罐连接，且二级冷头的极限温度不高于4K，二级冷头下端的室温法兰与真空罩的法兰通过橡胶O型圈和螺栓预紧实现密封连接。
优选的，所述氦罐为由表面镀镍处理的无氧铜构成的密封罐体，所述密封罐体通过不锈钢毛细管与常温氦储罐连通，密封罐体的顶部与防辐射屏组的二级冷屏连接。
优选的，所述氦罐的内部设有增强换热的金属翅片，且所述密封罐体与所述金属翅片材质相同。
优选的，热阻片为低温热机械性能优良且导热系数低的圆形薄片结构，在所述热阻片上并开有螺栓安装所需的通孔。
优选的，热阻片采用不锈钢、聚四氟乙烯、PEEK或聚酰亚胺制成。
优选的，真空罩为三段式铝合金密封筒体，每段筒体之间通过橡胶O型圈和螺栓预紧实现相互间的密封连接，真空罩上的三个穿舱接口包括氦管路穿舱接口、真空抽口及引线穿舱接口；真空罩与制冷机也通过橡胶O型圈和螺栓预紧实现法兰密封连接。
优选的，恒温块上设置有用于安装温度计的多规格通孔，通孔底部留有导气孔；恒温块的上部为目标控温位置，恒温块的下部与防辐射屏组的绝热屏连接；在恒温块控温位置表面上以加热膜粘贴形式和加热丝缠绕形式布置加热器。
优选的，所述加热器采用低温下电阻稳定的镍铬合金或锰铜合金制作。
优选的，管路为由一级盘管、二级盘管和三级盘管构成的三段预冷盘管，一级盘管处于一级冷头与真空罩之间并用于构造温差，二级盘管通过铜质热桥与一级冷头搭接并对管路内气体进行初次预冷，三级盘管通过铜质热桥与一级冷头和二级冷头之间的回热器热连接从而对管路内气体进行第二次预冷。
优选的，一级盘管为不锈钢材料，二级盘管和三级盘管为紫铜管，氦罐、三级盘管、二级盘管三者的中间管路为不锈钢管，管路均为薄壁细管。
优选的，各级盘管连接处均采用VCR接头密封，二级盘管和三级盘管通过焊接保障盘管与铜质热桥的稳定连接。
优选的，防辐射屏组中的一级冷屏、二级冷屏和绝热屏屏体均采用无氧铜制作，一级冷屏和二级冷屏外表面镀镍处理，绝热屏外表面镀金处理。
优选的，控温仪的输入端连接恒温块孔内安装的温度计，并且温度计的引线通过热锚消除沿导线导热造成的温差，控温仪的输出端连接至加热器，控温仪通过比例积分控制、即PID调控将温度控制在设定温度范围内。
优选的，真空泵为高真空分子泵机组，真空泵的极限真空度<10-4Pa。
相比现有技术，本发明的有益效果在于：
1、本发明装置耦合热容法和热阻法两种高效的热扰动抑制方法，并采用氦气取代磁性稀土材料，使得适用范围更宽广，并降低使用成本。
2、本发明装置引入了防辐射屏组，大幅度减小外界环境对目标区域的辐射干扰。
3、本发明装置中高热容氦罐和配套管路在氦气液化之前，进行了多级预冷，避免低制冷能力的二级冷头直接冷却温度过高的氦气，从而大幅度增高液化效率。
4、本发明装置热阻片结构简单，加工安装方便。
5、本发明装置的一级冷屏和真空筒体采用分段式设计，实际使用中可以局部拆装，方便使用。
6、本发明装置实验过程中氦气无损耗，可实现自动回收，且全程工作压力处于充注压力以下，安全可靠。
附图说明
图1为本发明一种热容热阻双效耦合的深低温高精度控温装置的机体部分结构示意图；
图2为图1的剖视图；
图3为一种热容热阻双效耦合的深低温高精度控温装置的整体连接示意图。
图中：1、制冷机；2、氦罐；3、热阻片；4、防辐射屏组；5、真空罩；6、恒温块；7、温度计；8、一级冷屏；9、二级冷屏；10、绝热屏；11、加热器；12、热锚；13、VCR接头；14、三级盘管；15、二级盘管；16、一级盘管；17、穿舱接口；18、控温仪；19、常温氦储罐；20、真空泵。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
一种热容热阻双效耦合的深低温高精度控温装置，如图1～图3所示，该装置包括制冷机1、氦罐2、热阻片3、防辐射屏组4、真空罩5、恒温块6、温度计7、加热器11、管路(13～16)、控温仪18以及常温氦储罐19和真空泵20。
管路(13～16)包括三级盘管14、二级盘管15和一级盘管16；各级盘管连接处均采用VCR接头13密封，二级盘管15和三级盘管14通过焊接保障盘管与铜质热桥的稳定连接。
防辐射屏组4包括一级冷屏8、二级冷屏9和绝热屏10；真空罩5的真空筒体上设置有穿舱接口17。
制冷机法兰与真空罩5通过橡胶O型圈和螺栓预紧密封连接，其一级冷头与一级冷屏8连接，屏上通过铜质热桥与一级盘管16热导通，制冷机1的二级冷头与高热容的氦罐2通过螺栓连接，中间面垫装铟片和导热脂，氦罐2另一侧通过螺栓安装恒温块6和二级冷屏9，热阻片3夹持安装于恒温块6和氦罐2之间，恒温块6下部安装有绝热屏10，包覆上部的目标控温位置，同时其表面安装加热器11用于热补偿控温。
氦气管路穿舱后连接外部的常温氦储罐19，通过阀门控制供气，真空泵20用来为装置抽取真空，控温仪18用于热补偿控温。
本实施例中，恒温块6控温区域为Φ55mm、高80mm的无氧铜块，真空罩5、一级冷屏8、二级冷屏9、绝热屏10内径分别为Φ300mm、Φ220mm、Φ170mm和Φ100mm，其中真空罩5的真空筒体为铝合金材质，壁厚10mm，防辐射屏组4为无氧铜材质，壁厚1.5mm。
高热容的氦罐2外部连接管路为1/8英寸直径的毛细管，材质为不锈钢与铜串接，真空罩5的筒体上设置的穿舱部件口为KF40接口，预留有真空抽口、引线穿舱接口、氦气管路穿舱接口三个接口，外部分别连接真空泵20、控温仪18和常温氦储罐19。
为了安装方便，在真空罩5的顶部设置提拉用的把手，优选为两个对称设置的所述把手。
其中，控温仪18的输入端连接恒温块6孔内安装的温度计7，并且温度计7的引线通过热锚12消除沿导线导热造成的温差，控温仪18的输出端连接至加热器11，控温仪18通过比例积分控制、即PID调控将温度控制在设定温度范围内。
设计原理：在低温环境下，外部气氦会逐渐液化，进入高热容的氦罐2内，在二级冷头上形成一个高热容的热量缓冲区，当制冷机的功率波动在二级冷头反映出温度波动时，该波动经过高热容的氦罐2的缓冲，会大幅衰减；之后由于热阻片3对热量的传导效果较差，热量波动的传递效果进一步被抑制，极大的有助于控温仪对目标区域温度的高精度控制。以此达到热容热阻双效耦合抑制控温的效果。
控温装置的工作过程为：将装置按照图1安装完毕，分别将真空罩5内环境和高热容的氦罐2内抽取真空，开启制冷机，待二级冷头降至4.2K以下，接通氦罐2和外部的常温氦储罐19，氦罐2内部氦气开始液化，待液化适量氦气以后，关闭氦气管路阀门，制冷机冷头产生的温度波动会因为氦罐2内部液氦的缓冲作用而大幅度衰减，之后通过热阻片3进一步抑制该扰动的传递，同时防辐射屏组4构造出的阶梯温差可以逐层衰减外部环境辐射对恒温块6产生的扰动，在此基础上通过热补偿的方法控制目标区域的温度，能够实现快速精准的控温，热补偿通过控温仪18以PID控制模式计算处理提供。控温实验完成后，维持舱内真空环境条件下关闭制冷机，温度自然恢复过程中，氦气重新汽化，开通高热容的氦罐2与外部的常温氦储罐19以后，氦气可实现自动回流，实验过程无损耗。
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。
Claims (10)
1.一种热容热阻双效耦合的深低温高精度控温装置，装置包括制冷机(1)、氦罐(2)、热阻片(3)、防辐射屏组(4)、真空罩(5)、温度计(7)、加热器(11)、管路(13～16)、控温仪(18)以及常温氦储罐(19)和真空泵(20)；其特征在于：
所述制冷机(1)为包括一级冷头和二级冷头构成的二级制冷机；
所述氦罐(2)与外界的常温氦储罐(19)通过所述管路(13～16)连接，并对氦罐(2)抽除或者充入氦气；
所述的防辐射屏组(4)为包括从外到内依次设置的一级冷屏(8)、二级冷屏(9)和绝热屏(10)的三层屏组结构；
装置还包括由表面镀金处理的无氧铜构成的恒温块(6)，在所述恒温块(6)上设置温度计(7)；
热阻片(3)被夹持安装于恒温块(6)和高热容氦罐(2)之间；
所述制冷机(1)的二级冷头、氦罐(2)、热阻片(3)、恒温块(6)依次串连；位于最内侧的绝热屏(10)与恒温块(6)连接并包覆恒温块(6)，位于中间的二级冷屏(9)与氦罐(2)连接，位于最外侧的一级冷屏(8)与制冷机(1)的一级冷头连接；
在真空罩(5)通过其筒体上设置的三个穿舱接口(17)与外部的真空泵(20)、控温仪(18)、常温氦储罐(19)和真空泵(20)连通。
2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于：所述制冷机(1)的一级冷头与防辐射屏组(4)的一级冷屏(8)连接，制冷机(1)的二级冷头与氦罐(2)连接，且二级冷头的极限温度不高于4K，二级冷头下端的室温法兰与真空罩(5)的法兰通过橡胶O型圈和螺栓预紧实现密封连接。
3.根据权利要求1所述的装置，其特征在于：所述氦罐(2)为由表面镀镍处理的无氧铜构成的密封罐体，所述密封罐体通过不锈钢毛细管与常温氦储罐(19)连通，密封罐体的顶部与防辐射屏组(4)的二级冷屏(9)连接。
4.根据权利要求3所述的装置，其特征在于：所述氦罐(2)的内部设有增强换热的金属翅片，且所述密封罐体与所述金属翅片材质相同。
5.根据权利要求1所述的装置，其特征在于：热阻片(3)为低温热机械性能优良且导热系数低的圆形薄片结构，在所述热阻片(3)上并开有螺栓安装所需的通孔。
6.根据权利要求1所述的装置，其特征在于：真空罩(5)为三段式铝合金密封筒体，每段筒体之间通过橡胶O型圈和螺栓预紧实现相互间的密封连接，真空罩(5)上的三个穿舱接口(13)包括氦管路穿舱接口、真空抽口及引线穿舱接口；真空罩(5)与制冷机(1)也通过橡胶O型圈和螺栓预紧实现法兰密封连接。
7.根据权利要求1所述的装置，其特征在于：恒温块(6)上设置有用于安装温度计(7)的多规格通孔，通孔底部留有导气孔；恒温块(6)的上部为目标控温位置，恒温块(6)的下部与防辐射屏组(4)的绝热屏(10)连接；在恒温块(6)控温位置表面上以加热膜粘贴形式和加热丝缠绕形式布置加热器(11)。
8.根据权利要求1所述的装置，其特征在于：管路(13～16)为由一级盘管(16)、二级盘管(15)和三级盘管(14)构成的三段预冷盘管，一级盘管(16)处于一级冷头与真空罩(5)之间并用于构造温差，二级盘管(15)通过铜质热桥与一级冷头搭接并对管路内气体进行初次预冷，三级盘管(14)通过铜质热桥与一级冷头和二级冷头之间的回热器热连接从而对管路内气体进行第二次预冷。
9.根据权利要求1所述的装置，其特征在于：控温仪(18)的输入端连接恒温块(6)孔内安装的温度计(7)，并且温度计(7)的引线通过热锚(12)消除沿导线导热造成的温差，控温仪(18)的输出端连接至加热器(11)，控温仪(18)通过PID调控将温度控制在设定温度范围内。
10.根据权利要求1所述的装置，其特征在于：真空泵(20)为高真空分子泵机组，真空泵(20)的极限真空度<10-4Pa。
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