CN106325063A - 一种快速降温的方法和装置 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及低温测量技术领域，尤其涉及一种快速降温的方法和装置，通过设置热阻装置将冷头与控温对象隔开，通过制冷机冷头进行蓄冷，实现与控温对象间的大温差，得到大于制冷机本身制冷能力可实现的降温速率，从而达到快速降温；在快速降温的同时通过加热装置进行微调，从而实现匀速降温。本发明首次提出利用制冷机实现匀速升降温过程；相较于液氦降温系统，本系统结构简单，少了很多控制阀门及管道；成本低廉，除了在该过程中需要一定的电力供应外，没有其他成本输入；并且可通过控制制冷机和加热装置的启停灵活的改变降温速率，降温速率稳定可靠可控，能够实现自动控制；升降温过程线性很好，相较于液氦系统，该系统升降温速率稳定。
Description
技术领域
本发明涉及低温测量技术领域，尤其涉及一种快速降温的方法和装置。
背景技术
低温测量技术是计量科学领域内的一个重要研究方向，与室温下的温度测量相比，低温系统中的要求更为严格。对于低温测量而言，应用最为广泛的温度传感器是电阻式温度计。为了挑选长期稳定、读数精确、抗干扰的温度计，需要对温度计进行冷热循环升降温实验。循环温度为290K到4.2K，即常温至液氦温度。一个典型的循环持续7个小时15分钟，分别为3个小时的降温时间，从290K降至4.2K，然后维持4.2K一个小时，接着为3个小时的升温时间，从4.2K升至290K，然后维持290K 15分钟，升降温循环冲击共持续50个上述过程。分别在第10个循环后、第25个循环后和最后25个循环后对温度计进行标定。实际过程中温度循环的时间和次数会根据需要进行变化。
在材料物性测试领域，尤其是在测量材料热冲击以及热疲劳特性时，需要对被测样品(包括但不限于非金属和金属材料)进行不同速率的高温到低温的冷热循环，根据实际应用环境，比较典型的是77K～300K以及4.2～300K温区的温度循环。
现有的技术通常是用液氦或液氮作为冷源，电加热装置作为热源，通过控制阀门的开度控制液氦或液氮的流速和加热装置的功率，从而实现匀速升温或者降温，实现升降温循环的过程。虽然这种方法可以实现匀速升降温过程，但是结构复杂，液氦消耗量大，成本较高，升降温过程中的线性并不好，升降温过程波动较大。
发明内容
为实现上述目的，本发明提供一种快速降温方法和装置，通过应用制冷机并结合一定的控制策略实现快速且匀速的升降温过程，这种方法系统结构简单，可通过控制制冷机和加热装置的启停灵活的改变降温速率，降温速率稳定可靠可控，无需消耗液氦、液氮等工质，成本低，工作稳定，简单易行。
一种快速降温装置，包括制冷机、加热装置、热阻装置和控温对象；所述制冷机具有冷头，所述控温对象设置在冷头上，所述控温对象与冷头通过热阻装置隔开；所述控温对象上设置有加热装置。
进一步的，还包括控制模块，所述控制模块分别与制冷机和加热装置连接，所述控制模块用以控制制冷机的制冷量，所述控制模块用以关闭加热装置或调整加热装置功率。
更进一步的，还包括第一温度计，所述第一温度计设置在控温对象上，并与控制模块连接，所述控制模块根据第一温度计采集的控温对象温度与目标温度进行比较，根据控温对象温度与目标温度之间的差值通过PID控制加热装置的加热量，继而实现匀速降温。
作为一种改进，还包括第二温度计，所述第二温度计设置在冷头上并与控制模块连接，所述控制模块根据第二温度计采集冷头的温度控制制冷机的制冷量，所述制冷机冷头的制冷量与冷头温度成反比。
作为进一步改进，还包括辐射屏，所述辐射屏套设在冷头上，将热阻装置、控温对象、加热装置、第一温度计和第二温度计包裹在内。
作为更进一步的改进，所述控制模块还包括存储单元和时间单元，所述存储单元用以存储第一温度计和第二温度计采集的温度值，以及通过PID反馈控制加热装置加热值；所述时间单元用于控制制冷机的开停，和控制控温对象是降温、升温或者维持稳定；还包括设置控温对象升降温循环次数，以及单个升降过程的持续时间。
一种快速降温的方法，包括以下步骤：
a.在制冷机与控温对象之间设置热阻装置，所述热阻装置为低导热材料或低导热结构；
b.制冷机提供冷量，制冷机冷头蓄积冷量；
c.在所述控温对象上设置加热装置进行加热，在冷头和控温对象之间形成大温差；
d.关闭加热装置，实现控温对象的快速降温。
进一步，还包括以下步骤：
e.通过控制模块关闭加热装置或调整加热装置功率，对控温对象的降温速率进行微调。
进一步，还包括以下步骤：
f.在控温对象上设置第一温度计，通过第一温度计采集控温对象的温度与目标温度之间的差值，采用PID控制调节控温对象上的加热量，继而实现匀速降温。
进一步，还包括以下步骤：
g.在冷头上设置第二温度计，通过第二温度计采集冷头的温度，所述制冷机冷头的制冷量与冷头温度成反比。
本发明通过设置热阻装置将冷头与控温对象隔开，通过制冷机冷头进行蓄冷，实现与控温对象间的大温差，得到大于制冷机本身制冷能力可实现的降温速率，从而达到快速降温；在快速降温的同时通过加热装置进行微调，从而实现匀速降温。本发明首次提出利用制冷机实现匀速升降温过程；相较于液氦系统，系统结构简单，少了很多控制阀门及管道；成本低廉，除了在该过程中需要一定的电力供应外，没有其他成本输入；并且可通过控制制冷机和加热装置的启停灵活的改变降温速率，降温速率稳定可靠可控，能够实现自动控制；升降温过程线性很好，相较于液氦系统，该系统升降温速率稳定。
附图说明
图1是本发明一种快速降温的装置示意图；
图2是本发明一种快速降温的装置具体实施例示意图；
图3是本发明一种快速降温的装置具体实施例示意图；
图4本发明一种快速降温的方法流程示意框图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及有益效果更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
本发明提供一种快速降温方法和装置，通过应用制冷机并结合一定的控制策略实现快速且匀速的升降温过程，这种方法系统结构简单，可通过控制制冷机和加热装置的启停灵活的改变降温速率，降温速率稳定可靠可控，无需消耗液氦、液氮等工质，成本低，工作稳定，简单易行。
实施例一
如图1所示，一种快速降温装置，包括制冷机1、加热装置、控制模块、热阻装置4和控温对象5；本发明所称制冷机包括但不限定于GM制冷机、脉冲管制冷机、J-T制冷机等任何带有冷源性质的制冷机，也包括利用低温液体为冷源的制冷装置；所述制冷机1具有冷头2(冷源接口)，所述控温对象5设置在冷头2上，所述控温对象5与冷头2通过热阻装置4隔开，该热阻装置4具有较大的热阻，，可以理解本发明所述的热阻装置包括可以提供热阻的任何结构，其能够隔绝控温对象5与冷头2之间的热传递，能减少从冷头2上传递过来的冷量并且抑制冷头2上的温度波动；所述控温对象5上设置有加热装置；可以理解本发明所述的加热装置包括但不限于电加热、辐射加热、传导性质等加热方式进行加热。通过控制系统将控温对象5的温度控制在高温区，同时保持制冷机1在工作状态，降低制冷机1冷头2温度，通过制冷机冷头进行蓄冷，之后降低或关闭加热装置功率，实现制冷机1冷头2与控温对象5间的大温差，得到大于制冷机1本身制冷能力可实现的降温速率，实现快速降温。所述控制模块分别与制冷机1和加热装置连接，所述控制模块用以控制制冷机1的制冷量，所述控制模块用以关闭加热装置或调整加热装置功率，实现对控温对象5的降温速率进行微调，在快速降温的同时对降温速率进行调整，从而实现快速且匀速降温。简单来讲，制冷机蓄冷指的是在制冷机正常工作的条件下，通过提供加热功率保持被控对象温度稳定在某一设定值，这部分加热功率定义为制冷机的蓄冷量。撤除或者减小加热功率，所蓄积的制冷量就会得到释放，被控对象的温度就会按照特定的速率进行降温。
更进一步的，还可以包括第一温度计7，所述第一温度计7设置在控温对象5上，并与控制模块连接，所述控制模块根据第一温度计7采集的控温对象5温度与目标温度进行比较，根据控温对象5温度与目标温度之间的差值通过PID控制加热装置的加热量，继而实现匀速降温。还可以包括第二温度计3，所述第二温度计3设置在冷头2上并与控制模块连接，所述控制模块根据第二温度计3采集冷头2的温度控制制冷机1的制冷量，所述制冷机1冷头2的制冷量与冷头2温度成反比，在高温段时，制冷量更大。
作为进一步改进，还包括辐射屏8，所述辐射屏8套设在冷头2上，将热阻装置4、控温对象5、加热装置、第一温度计7和第二温度计3包裹在内；该辐射屏8用于减少系统漏冷损失。
作为更进一步的改进，所述控制模块还包括存储单元和时间单元，所述存储单元用以存储第一温度计7和第二温度计3采集的温度值，以及通过PID反馈控制加热装置加热值；所述时间单元用于控制制冷机1的开停，和控制控温对象5是降温、升温或者维持稳定；还包括设置控温对象5升降温循环次数，以及单个升降过程的持续时间。
实施例二
如图4所示，一种快速降温的方法，包括以下步骤：
a.在制冷机与控温对象之间设置热阻装置，所述热阻装置为低导热材料；
b.制冷机提供冷量，制冷机冷头蓄积冷量；
c.在所述控温对象上设置加热装置进行加热，在冷头和控温对象之间形成大温差；
d.关闭加热装置，实现控温对象的快速降温。
进一步，还包括以下步骤：
e.通过控制模块关闭加热装置或调整加热装置功率，对控温对象的降温速率进行微调。
进一步，还包括以下步骤：
f.在控温对象上设置第一温度计，通过第一温度计采集控温对象的温度与目标温度之间的差值，采用PID控制调节控温对象上的加热量，继而实现匀速降温。
进一步，还包括以下步骤：
g.在冷头上设置第二温度计，通过第二温度计采集冷头的温度，所述制冷机冷头的制冷量与冷头温度成反比，在高温段时，制冷量更大。
实施例三
如图2-3所示，在一个快速降温系统中，系统的主体由筒体1300和放置与其上端的制冷机1004组成；该筒体内部具有制冷机冷头1200和样品架1500，根据需要改制冷机可以具有二级冷头；并且为了减少辐射漏热，分别在G-M制冷机的一级冷头和连接于二级冷头的样品架上放置2个辐射屏，一级辐射屏1600和二级辐射屏1100。其中样品架连接在二级冷头上，样品架柱体上端均匀缠有用于加热的镍铬加热线，样品架下端凸起处放置了用于时刻监测样品架上温度的铑铁温度计，其温度范围可以实现常温到4.2K的测量。通过控制布置在样品架上的镍铬加热线的加热量，实现样品架温度匀速升降或者维持稳定。所用的制冷机二级冷头上的制冷量是二级冷头温度的反比函数，其在高温段时，制冷量更大。为了减小控温时对控温对象的加热量，在二级冷头与样品架之间放置了一片热阻装置1400，材料为PTFE(聚四氟乙烯)，它的作用是减少从二级冷头上传递过来的冷量并且抑制二级冷头上的温度波动。PTFE是一种低导热材料，在低温下仍有很好的性能。
控制模块包括控温仪1002和上位机1001组成，其中控温仪1002采用340Temperature Controller控温仪，作为温度采集和加热控制设备。通过LabVIEW编写数据的采集程序和加热等控制程序，通过上位机1001实现对控温仪的数据读取和加热控制。
所述控制程序至少包括：加热装置加热程序、PID控制程序、数据保存程序、制冷机控制程序、时序程序等。其中：
PID控制程序：PID控制程序是整个程序的核心，根据采集控温对象的温度与目标温度之间的差值，采用LabVIEW中预设的PID控制包中的函数，调节控温对象上的加热量，继而实现匀速降温。
加热装置加热程序：镍铬线加热装置的加热电流由340控温仪输出，根据PID控制程序的结果，进一步通过LabVIEW编程使控温仪输出所需的电流。
数据保存程序：样品架和冷头上采集到的温度值和通过PID反馈控制加热装置加热值都通过该程序保存下来。
制冷机控制程序：控制压缩机1003的启停，在复温阶段关闭压缩机1003同时使得制冷机停止工作。
时序程序：该时序可以实现制冷机的开停、被控对象降温还是升温或者维持稳定，还可以设置升降温循环次数，以及单个升降过程的持续时间等。
本发明通过设置热阻装置将冷头与控温对象隔开，通过制冷机冷头进行蓄冷，实现与控温对象间的大温差，得到大于制冷机本身制冷能力可实现的降温速率，从而达到快速降温；在快速降温的同时通过加热装置进行微调，从而实现匀速降温。本发明首次提出利用制冷机实现匀速升降温过程；相较于液氦系统，系统结构简单，少了很多控制阀门及管道；成本低廉，除了在该过程中需要一定的电力供应外，没有其他成本输入；并且可通过控制制冷机和加热装置的启停灵活的改变降温速率，降温速率稳定可靠可控，能够实现自动控制；升降温过程线性很好，相较于液氦系统，该系统升降温速率稳定。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
Claims (10)
1.一种快速降温装置，其特征在于，包括制冷机、加热装置、热阻装置和控温对象；所述制冷机具有冷头，所述控温对象设置在冷头上，所述控温对象与冷头通过热阻装置隔开；所述控温对象上设置有加热装置。
2.如权利要求1所述的快速降温装置，其特征在于，还包括控制模块，所述控制模块分别与制冷机和加热装置连接，所述控制模块用以控制制冷机的制冷量，所述控制模块用以关闭加热装置或调整加热装置功率。
3.如权利要求2所述的快速降温装置，其特征在于，还包括第一温度计，所述第一温度计设置在控温对象上，并与控制模块连接，所述控制模块根据第一温度计采集的控温对象温度与目标温度进行比较，根据控温对象温度与目标温度之间的差值通过PID控制加热装置的加热量，继而实现匀速降温。
4.如权利要求3所述的快速降温装置，其特征在于，还包括第二温度计，所述第二温度计设置在冷头上并与控制模块连接，所述控制模块根据第二温度计采集冷头的温度控制制冷机的制冷量，所述制冷机冷头的制冷量与冷头温度成反比。
5.如权利要求4所述的快速降温装置，其特征在于，还包括辐射屏，所述辐射屏套设在冷头上，将热阻装置、控温对象、加热装置、第一温度计和第二温度计包裹在内。
6.如权利要求2-5所述的快速降温装置，其特征在于，所述控制模块还包括存储单元和时间单元，所述存储单元用以存储第一温度计和第二温度计采集的温度值，以及通过PID反馈控制加热装置加热值；所述时间单元用于控制制冷机的开停，和控制控温对象是降温、升温或者维持稳定；还包括设置控温对象升降温循环次数，以及单个升降过程的持续时间。
7.一种快速降温的方法，其特征在于，包括以下步骤：
a.在制冷机与控温对象之间设置热阻装置，所述热阻装置为低导热材料或低导热结构；
b.制冷机提供冷量，制冷机冷头蓄积冷量；
c.在所述控温对象上设置加热装置进行加热，在冷头和控温对象之间形成大温差；
d.关闭加热装置，实现控温对象的快速降温。
8.如权利要求7所述的快速降温方法，其特征在于，还包括以下步骤：
e.通过控制模块关闭加热装置或调整加热装置功率，对控温对象的降温速率进行微调。
9.如权利要求8所述的快速降温方法，其特征在于，还包括以下步骤：
f.在控温对象上设置第一温度计，通过第一温度计采集控温对象的温度与目标温度之间的差值，采用PID控制调节控温对象上的加热量，继而实现匀速降温。
10.如权利要求9所述的快速降温方法，其特征在于，还包括以下步骤：
g.在冷头上设置第二温度计，通过第二温度计采集冷头的温度，所述制冷机冷头的制冷量与冷头温度成反比。
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