CN113884062A - 一种液氦温度下大温差温度保持装置 - Google Patents
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Abstract
本发明一种液氦温度下大温差温度保持装置，包括加热线圈、倾斜仪外壳、倾斜仪外壳上盖、真空层外壳、真空层上盖、冷屏上盖、冷屏外壳、导冷铜线、真空层支撑管、倾斜仪支撑管、温度计和温度控制模块。加热线圈位于倾斜仪和倾斜仪外壳之间，倾斜仪外壳位于冷屏外壳内侧，冷屏外壳位于真空层外壳内侧。通过本发明装置可减少在液氦背景温度大温差条件下的传导漏热和辐射漏热，降低保温空间的热量损失，在此基础上通过主动加热控制达到保温效果，从而在液氦温度环境中实现一个温度不低于‑10℃的保温空间。本发明装置结构简单，成本较低，解决了常规通用高精度倾斜测量仪器无法直接应用在液氦温度下的难题。
Description
技术领域
本发明涉及一种温度保持装置，特别涉及一种液氦温度下大温差温度保持装置。
背景技术
超导体具有零电阻效应、迈斯纳效应以及低温环境下极小材料蠕变的特点，使得基于低温超导技术发展形成的超导磁悬浮精密仪器具有特殊优势和极高精度潜力。超导磁悬浮精密仪器的一个重要发展方向是用于精密重力测量，其重力测量灵敏度可达地球重力常数g的10-12量级，这对于地球动力学、资源勘探等领域的研究具有重要应用价值。在实际的工程应用中，超导磁悬浮重力测量仪器常常要工作在野外环境下，外界环境温度变化和仪器自身机械结构蠕变等因素不可避免地会引起仪器核心部件——超导重力敏感单元的倾斜度发生变化，使得超导磁悬浮重力测量仪器的输出信号产生严重漂移，制约着仪器实际效能的发挥，因此必须要对超导重力敏感单元的倾斜状态进行高精度的测量和控制，其中高精度的倾斜度测量是进行控制的前提和基础。
超导磁悬浮重力感应单元位于超导磁悬浮重力测量仪器的最内层，通过层层机械传递与仪器外壳固结在一起，由于机械连接环节较多，无法实现完全的刚性连接，导致仪器外壳处的倾斜变化不能准确反映仪器最内层超导磁悬浮重力感应单元的倾斜度变化。因此，为了准确测出超导磁悬浮重力感应单元的倾斜度变化，较好的做法是把倾斜仪直接固定在最内层超导磁悬浮重力感应单元上端。但是正常工作时，超导磁悬浮重力感应单元需要完全浸没在液氦浴中，才能保证相关超导部件处于超导状态，这意味着相应的倾斜测量仪器必须工作在液氦温度(约为-269℃)下。在这样的超低温下，常规通用的高精度倾斜测量仪器是无法工作的，这就导致常规高精度倾斜测量仪器无法直接应用于超导磁悬浮重力感应单元的倾斜度测量。然而，目前市场上没有直接应用于液氦温度下的商用倾斜度测量仪器，液氦温度如果自行研制，超低温的极端工作条件使得研制难度很大，研制成本很高。
发明内容
为了克服上述现有技术的不足，本发明提出一种液氦温度下大温差温度保持装置。本发明可以在液氦温度环境中形成一个温度不低于-10℃的保温空间，在此空间中可以放置常规通用的高精度倾斜仪，从而解决常规高精度倾斜测量仪器无法应用于液氦温度下的难题。
为实现液氦温度下大温差温度保持，本发明从两个方面出发进行设计：一方面减少保温空间的热量损失；另外一方面，对保温空间进行主动加热控制。其中，减少保温空间的热量损失是基础。保温空间的热量损失越少，所需要的主动加热功率越低，对整体低温系统引入的热负荷越低，就越有利于维持整体低温系统的稳定性。
保温空间主要通过传导传热和辐射传热向液氦背景环境传递热量，造成热量损失。本发明通过设置真空层降低气体传导漏热，通过精简支撑结构降低固体传导漏热，通过在保温空间和真空壳体之间设置冷屏以及在各层之间粘贴铝箔胶带降低辐射漏热。在此基础上，通过温度计实时检测倾斜仪温度，利用温度控制模块控制加热线圈的加热功率，使倾斜仪的温度保持在目标温度点(-10℃)以上。
本发明采用如下技术方案：
本发明一种液氦温度下大温差温度保持装置，包括加热线圈、倾斜仪外壳、真空层外壳、冷屏外壳、导冷金属线、真空层支撑管、倾斜仪支撑管、测温装置和温度控制模块。加热线圈位于倾斜仪和倾斜仪外壳之间，倾斜仪外壳位于冷屏外壳内侧，冷屏外壳位于真空层外壳内侧。冷屏外壳底部通过导冷金属线与真空层外壳底部连接。倾斜仪支撑管穿过冷屏外壳底部通孔，倾斜仪支撑管上端与倾斜仪固定连接，倾斜仪支撑管下端与真空层外壳底部固定连接。真空层支撑管上端通过焊接固定在真空层外壳底部，真空层支撑管下端与需要测量倾斜度的部件固定连接。测温装置固定在倾斜仪上部。温度控制模块分别与测温装置和加热线圈相连，可控制加热线圈的加热功率。
所述装置还包括：倾斜仪外壳上盖、真空层上盖和冷屏上盖；倾斜仪外壳上盖位于倾斜仪外壳上部，通过螺钉与倾斜仪外壳固定连接；冷屏上盖位于冷屏外壳上部，通过螺钉与冷屏外壳固定连接；真空层上盖位于真空层外壳上部，采用铟丝密封方式实现真空层密封；冷屏上盖通过导冷金属线与真空层上盖连接。
所述加热线圈由锰铜电阻丝均匀绕制在倾斜仪表面，加热线圈的电阻与达到设定温度点所需要的加热功率相匹配。
所述倾斜仪外壳和倾斜仪外壳上盖由不锈钢材料加工而成，外表面粘贴铝箔胶带。倾斜仪外壳上盖有两个通孔，分别用于加热线圈引线和倾斜仪引线通过。倾斜仪外壳、加热线圈和倾斜仪之间的缝隙中均匀填充真空硅脂，提高加热线圈和倾斜仪表面之间的有效接触面积和热传递的均匀性。
所述冷屏上盖和冷屏外壳由铝合金材料加工而成，内表面和外表面粘贴铝箔胶带。冷屏上盖有两个通孔，分别用于加热线圈引线和倾斜仪引线通过。
所述真空层外壳和真空层上盖由不锈钢材料加工而成，内表面粘贴铝箔胶带。真空层上盖焊接有铜抽气管，在常温下通过铜抽气管对真空层抽真空后，将铜抽气管加压截断实现密封。真空层上盖有圆形引线插头，用于引出加热线圈引线和倾斜仪引线。真空层底部放置有活性炭包，降温后可进一步吸附气体，提高真空层真空度。
所述倾斜仪支撑管采用环氧材料加工而成，管厚度为1mm。
所述测温装置是温度计。
倾斜仪支撑管的个数为4个。
所述导冷金属线为导冷铜线。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
本发明一种液氦温度下大温差温度保持装置通过设置真空层、降低辐射传热等方法来降低保温空间的热量损失，在此基础上对保温空间进行主动加热控制，从而在液氦温度环境中实现一个温度不低于-10℃的保温空间，本发明结构简单，成本较低，解决了常规通用高精度倾斜测量仪器无法直接应用在液氦温度下的难题。
附图说明
图1为本发明液氦温度下大温差温度保持装置的结构示意图；
图2为本发明液氦温度下大温差温度保持装置的结构示意图；
图3为本发明加热线圈和倾斜仪的结构示意图；
图中，1-倾斜仪、2-加热线圈、3-倾斜仪外壳、4-倾斜仪外壳上盖、5-真空层外壳、6-真空层上盖、7-铜抽气管、8-圆形引线插头，9-倾斜仪引线、10-加热线圈引线、11-冷屏上盖、12-冷屏外壳、13-导冷铜线、14-真空层支撑管、15-倾斜仪支撑管、16-温度计。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明进一步说明。
如图1、图2和图3所示，本发明一种液氦温度下大温差温度保持装置，包括加热线圈2、倾斜仪外壳3、倾斜仪外壳上盖4、真空层外壳5、真空层上盖6、冷屏上盖11、冷屏外壳12、导冷铜线13、真空层支撑管14、倾斜仪支撑管15、温度计16和温度控制模块。加热线圈2位于倾斜仪1和倾斜仪外壳之间，倾斜仪外壳3位于冷屏外壳12内侧，冷屏外壳12位于真空层外壳5内侧。倾斜仪外壳上盖4位于倾斜仪外壳3上部，通过螺钉与倾斜仪外壳3固定连接。冷屏上盖11位于冷屏外壳12上部，通过螺钉与冷屏外壳12固定连接。真空层上盖位于真空层外壳5上部，采用铟丝密封方式实现真空层密封。冷屏上盖11和冷屏外壳12底部通过导冷铜线13分别与真空层上盖6和真空层外壳5底部连接。四个倾斜仪支撑管15穿过冷屏外壳12底部通孔，倾斜仪支撑管15上端与倾斜仪1固定连接，倾斜仪支撑管15下端与真空层外壳底部固定连接。真空层支撑管14上端通过焊接固定在真空层外壳底部，真空层支撑管14下端与需要测量倾斜度的部件固定连接。温度计16固定在倾斜仪1上部。温度控制模块分别与测温装置和加热线圈2相连，可控制加热线圈2的加热功率。
通过温度计16实时检测倾斜仪1温度，利用温度控制模块控制加热线圈2的加热功率，使倾斜仪1的温度保持在目标温度点(-10℃)以上。
如图2和图3所示，所述加热线圈2由锰铜电阻丝均匀绕制在倾斜仪1表面，加热线圈2的电阻与达到设定温度点所需要的加热功率相匹配。
如图1、图2所示，所述倾斜仪外壳3和倾斜仪外壳上盖4由不锈钢材料加工而成，外表面粘贴铝箔胶带。倾斜仪外壳上盖4有两个通孔，分别用于加热线圈引线10和倾斜仪引线9通过。倾斜仪外壳3、加热线圈2和倾斜仪1之间的缝隙中均匀填充真空硅脂，提高加热线圈2和倾斜仪1表面之间的有效接触面积和热传递的均匀性。加热线圈引线10一端和加热线圈2连接，另一端和温度控制模块连接。倾斜仪引线9一端和倾斜仪1连接，另外一端引出装置外部，和倾斜仪1的供电电源、电压表连接，用于给倾斜仪1供电，并读取显示出倾斜仪1的数值。如图1、图2所示，所述冷屏上盖11和冷屏外壳12由铝合金材料加工而成，内表面和外表面粘贴铝箔胶带。冷屏上盖11有两个通孔，分别用于加热线圈引线10和倾斜仪引线9通过。
如图1、图2所示，所述真空层外壳5和真空层上盖6由不锈钢材料加工而成，内表面粘贴铝箔胶带。真空层上盖6焊接有铜抽气管7，在常温下通过铜抽气管7对真空层抽真空后，将铜抽气管7加压截断实现密封。真空层上盖6有圆形引线插头8，用于引出加热线圈引线10和倾斜仪引线9。真空层底部放置有活性炭包，降温后可进一步吸附气体，提高真空层真空度。
如图2和图3所示，所述倾斜仪支撑管15采用环氧材料加工而成，管厚度为1mm。
本发明未详细阐述部分属于本领域技术人员的公知技术。以上所述的实施例仅是对本发明的优选实施方式进行描述，优选实施例并没有详尽叙述所有的细节，也不限制该发明仅为所述的具体实施方式。在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案做出的各种变形和改进，均应落入本发明权利要求书确定的保护范围内。
Claims (10)
1.一种液氦温度下大温差温度保持装置，其特征在于：所述装置包括加热线圈(2)、倾斜仪外壳(3)、真空层外壳(5)、冷屏外壳(12)、导冷金属线、真空层支撑管(14)、倾斜仪支撑管(15)、测温装置和温度控制模块；加热线圈(2)位于倾斜仪(1)和倾斜仪外壳(3)之间，倾斜仪外壳(3)位于冷屏外壳(12)内侧，冷屏外壳(12)位于真空层外壳(5)内侧；冷屏外壳(12)底部通过导冷金属线与真空层外壳(5)底部连接；倾斜仪支撑管(15)穿过冷屏外壳(12)底部通孔，倾斜仪支撑管(15)上端与倾斜仪(1)固定连接，倾斜仪支撑管(15)下端与真空层外壳(5)底部固定连接；真空层支撑管(14)上端通过焊接固定在真空层外壳(5)底部，真空层支撑管(14)下端与需要测量倾斜度的部件固定连接；测温装置固定在倾斜仪(1)上部；温度控制模块分别与测温装置和加热线圈(2)相连，可控制加热线圈(2)的加热功率。
2.根据权利要求1所述的温度保持装置，其特征在于：所述装置还包括：倾斜仪外壳上盖(4)、真空层上盖(6)和冷屏上盖(11)；倾斜仪外壳上盖(4)位于倾斜仪外壳(3)上部，通过螺钉与倾斜仪外壳(3)固定连接；冷屏上盖(11)位于冷屏外壳(12)上部，通过螺钉与冷屏外壳(12)固定连接；真空层上盖(6)位于真空层外壳(5)上部，采用铟丝密封方式实现真空层密封；冷屏上盖(11)通过导冷金属线与真空层上盖(6)连接。
3.根据权利要求1所述的温度保持装置，其特征在于：所述加热线圈(2)由锰铜电阻丝均匀绕制在倾斜仪(1)表面，加热线圈(2)的电阻与达到设定温度点所需要的加热功率相匹配。
4.根据权利要求1所述的温度保持装置，其特征在于：所述倾斜仪外壳(3)和倾斜仪外壳上盖(4)由不锈钢材料加工而成，外表面粘贴铝箔胶带；倾斜仪外壳上盖(4)有两个通孔，分别用于加热线圈引线(10)和倾斜仪引线(9)通过；倾斜仪外壳(3)、加热线圈(2)和倾斜仪(1)之间的缝隙中均匀填充真空硅脂。
5.根据权利要求1所述的温度保持装置，其特征在于：所述冷屏上盖(11)和冷屏外壳(12)由铝合金材料加工而成，内表面和外表面粘贴铝箔胶带；冷屏上盖(11)有两个通孔，分别用于加热线圈引线(10)和倾斜仪引线(9)通过。
6.根据权利要求1所述的温度保持装置，其特征在于：所述真空层外壳(5)和真空层上盖(6)由不锈钢材料加工而成，内表面粘贴铝箔胶带；真空层上盖(6)焊接有铜抽气管(7)，连接真空泵后可对真空层抽真空；真空层上盖(6)有圆形引线插头(8)，用于引出加热线圈引线(10)和倾斜仪引线(9)；真空层底部放置有活性炭包。
7.根据权利要求1所述的温度保持装置，其特征在于：所述倾斜仪支撑管(15)采用环氧材料加工而成，管厚度为1mm。
8.根据权利要求1所述的温度保持装置，其特征在于：所述测温装置是温度计(16)。
9.根据权利要求1所述的温度保持装置，其特征在于：倾斜仪支撑管(15)的个数为4个。
10.权利要求1或2所述的温度保持装置，其特征在于：所述导冷金属线为导冷铜线(13)。
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