超流转变固定点装置的制作方法

本发明涉及一种固定点装置，尤其是涉及一种采用制冷机作为冷源的超流转变固定点装置。

背景技术：

在温度计量领域，国际温标给出了温度的定义和复现方法，是世界各国温度测量的最高依据。国际温标由温度固定点、内插仪器和内插公式这三个要素构成，温度固定点就是国际温标规定的某些物质不同相之间的可复现的平衡温度点，具有温度值确定，复现性、一致性、准确性高的特点，是温标的重要组成部分。温度固定点研究一直是温度计量的基础性工作，温度固定点研究是复现温标的重要基础和关键内容。

本申请的发明人曾在1997年提出密封瓶液氦超流转变点复现技术，在此引用中国专利CN97116914.4的全部内容，所述复现技术采用动态热流法获得长时间的转变温坪。液氦超流转变温度是2.1768K，是目前所能获的温度最低的稳定温坪的固定点。具体而言，如图1所示，传统的以液氦为冷源的超流固定点装置主要包括：毛细管101、超流氦102、正常氦103、温度计104、1K液池105、控温平台106、上池107、下池108以及真空室109。当固定点装置运行时，让一小热流通过毛细管101内的液氦，建立跨越超流转变点的温度梯度，实现了超流氦102与正常氦103的两相共存。利用超流氦102与正常氦103热导率的巨大跃变，实现了毛细管101内正常氦液柱高度动态热流自调节，在超流氦一侧的温度计104测得超流氦与正常氦两相界面的温度，获得了稳定性良好、基本无波动的平坦液氦超流转变温坪。通过做多个不同热流时的温坪，采用外推到零热流的方法求取液氦超流转变温度，消除了通过超流氦102与正常氦103两相界面的热流对液氦超流转变温度的下压效应，将液氦超流转变温度的复现性提高到0.1mK之内。这是国际上第一个采用动态热流法获得液氦超流转变温坪，实现了超流氦与正常氦长时间的两相共存，进而获得长时间稳定的转变温坪，且是目前国际上唯一已经实用化的液氦超流转变温度复现法，正是具有这些良好的热力学特性，这种毛细管结构的密封瓶可以作为温度固定点器件使用。

然而，由于传统的以液氦为冷源的液氦超流转变点复现装置每隔6-8小时就需向1K液池105中补充液氦，否则减压池107中液氦被抽干，且温度将超过2.2K，无法给控温平台106提供1.8K冷源，这会明显改变固定点复现实验的温度环境，中断固定点温坪，以致无法获得更长时间温坪的实验数据支撑，这也是液氦超流转变点没有被广泛推广应用、纳入国际温标的一个重要原因；另外，传统的液氦超流转变点复现装置以液氦作为冷源，但我国氦气资源相当贫乏，工业生产成本高，严重依赖进口。目前全球氦气量分布约400亿立方米，其中美国占75％以上，阿尔及利亚占12％，俄罗斯约6％，全球氦气的消耗量为每年1.65亿立方米，且以10％的增长率迅速增长，其中中国每年消耗量占全球的6％，消耗增长率高达20％。据专家预测，按目前的消耗量，全球的氦气开采最多只能再供应30年，形势非常严峻。由于美国核定氦气为战略物资，已实行配给制，削减用户使用量，同时基于战略考虑，阿尔及利亚已关闭氦气开采站，美国也即将关闭一个，这导致全球最大的氦气生产及供应商普莱克斯和BOC公司将氦气价格上调一倍，最终使液氦的价格由原来60～80元/升，涨到目前200元/升。如此昂贵的液氦价格，使得我国深低温区的研究工作难于广泛开展。

技术实现要素：

本发明的目的是解决传统以液氦为冷源的超流固定点复现装置装置所面临的温坪时间短、液氦缺乏等问题。

本发明提供了一种超流转变固定点装置，其包括：制冷机单元，所述制冷机单元为固定点装置提供冷源；减压降温单元，通过所述减压降温单元，获得1.8K低温前级冷源；控制单元，其对固定点装置的温度、压力、流量进行控制；所述固定点单元复现超流转变温坪，获得稳定的超流固定点。

其中，所述制冷机单元包括制冷机，所述制冷机具有一级冷头和二级冷头。

其中，所述制冷机进一步包括至少一个盘管换热器。

其中，所述制冷单元与固定点单元之间采用柔性连接。

其中，所述固定点装置包括多个减震组件。

其中，所述减压降温单元包括闭合环路，在所述闭合环路中实现少量液氦与氦气的循环，所述在减压降温单元中，闭合环路内的工作流体要经历氦气液化与液氦减压降温两个阶段。

其中，所述固定点单元包括控温平台，密封瓶下池，密封瓶上池，密封瓶毛细管，其中，密封瓶毛细管中超流相与正常相液氦两相共存。

其中，在所述控温平台上缠绕电阻丝或粘贴加热膜片进行控温。

本发明以制冷机为冷源，通过与制冷机相耦合的氦液化、减压降温环路内多阶段运行模式的切换，为液氦超流转变固定点提供长期稳定的低温冷源(1.8K)，通过两级控温降低制冷机冷头温度波动影响，进而实现长期(100小时)、高精度(0.1mK)的固定点温坪。在运行过程中，整个装置只需水电供给，摆脱液氦供应的束缚。

附图说明

图1以液氦为冷源的超流固定点装置示意图；

图2制冷机做冷源的超流转变固定点测量装置的模块组成及控制逻辑；

图3制冷机做冷源的超流固定点装置示意图。

具体实施方式

为了便于理解本发明，下面对本发明的实施例进行说明，本领域技术人员应当理解，下述的说明只是为了便于对发明进行解释，而不作为对其范围的具体限定。

本发明提供一种制冷机做冷源的超流转变固定点装置，图2给出了制冷机做冷源的超流转变固定点装置的模块组成及逻辑控制关系示意图。所述固定点装置至少包括：制冷机单元、减压降温单元、智能控制单元及固定点单元。其中，所述制冷机单元为固定点装置提供4.2K冷源，通过氦减压降温单元，获得1.8K低温前级冷源；智能控制单元对固定点装置的温度、压力、流量进行测量和控制；所述固定点单元复现超流转变温坪，从而实现对超流固定点温度的准确测量。为了使超流固定点单元获得长期稳定的温坪，提供基准级测温环境，需要通过对温度、压力、流量、阻抗等运行参数的优化控制以实现高精度的控温需求。

图3是本发明的制冷机做冷源的超流固定点装置示意图，相对于图2给出的功能框图，在图3中未对智能控制单元进行图示。如图3所示，所述超流固定点装置包括：制冷机1、一级减震平台2、制冷机机头连接法兰3、制冷机一级冷头连接法兰4、制冷机二级冷头连接法兰5、液化池6、减压池连接法兰7、减震支架8、隔热支架9、减压池10、二级减震平台11、控温平台12、上池13、毛细管14、下池15、调节阀门16、一级气缸盘管换热器17、一级冷头盘管换热器18、二级气缸盘管换热器19、二级冷头盘管换热器20、减压管路21、系统真空管22、独立真空管23、减压泵24、流量计25、滤油器26、冷井27、气柜28、压力传感器29、回气管道30、制冷机一级气缸31、制冷机一级冷头32、制冷机二级气缸33、制冷机二级冷头34。

所述固定点装置的制冷机单元包括制冷机1，所述制冷机1可对减压降温单元中的氦气进行预冷、液化。所述制冷机1采用两级冷头进行制冷，为了保证在足够的低温制冷效果，对制冷机1的机壳、气缸及冷头进行优化设计，以降低制冷机1本身对低温环境的影响，优选可在制冷机的气缸、冷头上耦合不同材料的盘管换热器。如图3所示，在制冷机的一级气缸31上耦合不锈钢材质的一级气缸盘管换热器17、在制冷机的二级气缸33上耦合不锈钢材质的二级气缸盘管换热器19；制冷机的一级冷头32耦合高导无氧铜材质的一级冷头盘管换热器18、二级冷头34上耦合高导无氧铜材质的二级冷头盘管换热器20。其中，不锈钢材质的盘管换热器内氦气在利用气缸沿程冷量进行预冷的同时、又有效防止由于一、二级冷头之间冷量的传递而导致二级冷头的冷量损失、有效防止制冷功率下降，大提高了制冷机的工作效率。在制冷单元中，制冷机机头连接法兰3与一级防辐射屏、制冷机一级冷头连接法兰4与二级防辐射屏耦合、二级冷头连接法兰5与三级防辐射屏耦合、减压池连接法兰7与独立真空防辐射屏相耦合，能有效降低防辐射屏温度，大幅降低辐射漏热、缩短降温时间、提高装置控温精度。为了更直观的介绍装置内部结构，未对所有的防辐射屏进行图示，但是本领域技术人员应当理解，图3只是为了便于理解本发明，不作为对固定点装置的具体限制。

制冷机单元中的制冷机1采用震动较小的GM型脉冲管制冷机，其二级冷头工作时的振动位移仅为8μm，为了最大限度降低制冷机1工作时产生的轻微振动对系统控温及测温的影响，本发明采取三重减震措施，首先，将制冷机1安置于一级减震平台2上，通过一级减震平台2的弹性阻尼来降低制冷机机头带来的震动；其次，制冷单元与固定点单元采用柔性连接，即与固定点单元最上端的减压池连接法兰7相连的减压管路20、独立真空管22全部采用波纹管材，以防止振动下传至固定点单元；再次，固定点单元的减压池连接法兰7通过减震支架8、隔热支架9与二级减震平台11相连。所述减震支架8可采用硬度较强、传热较差的不锈钢，其一端与减震平台11通过螺栓连接，另一端上嵌有插接支架，隔热支架9的一端可直接插入其中。所述隔热支架9采用绝热良好的G10材料，其可加工成圆柱状。减压池连接法兰7底部也嵌有插接支架，隔热支架9的另一端可直接嵌入其中。通过以上措施，不仅可以最大限度的降低振动对系统控温及测温的影响，同时还可以防止冷量泄露。

减压降温单元在不引入压缩机增压的条件下，通过多阶段运行模式之间的切换，使减压降温单元的循环环路内实现少量液氦与氦气的循环，经由一个可调节流阻的调节阀门16，让制冷机二级冷头34相连的液化池6的液氦进入减压池10中，补充减压降温过程造成的液氦损失，实现小流量工作介质的闭循环制冷，为超流固定点单元提供稳定的低温冷源。在减压降温单元中，闭合环路内的工作流体要经历氦气液化与液氦减压降温两个阶段。在氦气液化阶段：制冷机1降温后，经由滤油器26、冷井27、气柜28纯化的氦气依次经过一级气缸盘管换热器17、一级冷头盘管换热器18、二级气缸盘管换热器19、二级冷头盘管换热器20和液化池6中的翅片冷凝器被冷却并液化，液化后在液化池6内集液并经调节阀16流入减压池10。在液氦减压降温过程：当减压池10中液氦累积到预定体积(300mL)时，固定点装置运行减压降温模式，用室温处的减压泵24抽减压池10中的液氦实现液氦的减压降温。减压池10中的一小部分液氦被气化，经由室温的管路重新进入各盘管级换热器及翅片冷凝器被冷却并液化。闭合环路内通过压力、调节阀阻抗和减压泵速的调整来控制环路内参与连续流动工质的质量，进而控制减压池的温度，为超流固定点单元提供稳定的低温冷源。环路中压力的监测通过压力传感器29实现，环路内工质的质量流通过流量计25监测。

超流固定点复现采用密封瓶技术，将高纯气体充入小型金属瓶内并密封，将密封瓶内的液氦汇集于毛细管处，只需较小的液氦量即可开展固定点复现，大大降低了密封瓶的气库容积、总体尺寸和充气压力。在液氦减压池减压降温得到1.8K的低温，由控温平台12加热控温创造一个mK级的稳定环境，再控制下池15的加热器加热控温，使得密封瓶下池15的温度高于超流转变点(10～100)mK，在密封瓶毛细管14上建立一个跨越超流转变点的温度梯度，利用超流氦与正常氦热导率的巨大跃变，毛细管14的温差基本上建立在毛细管14内正常氦的液柱上，正常氦液柱高度变化自动补偿毛细管14两端温度差的变化，实现了毛细管14内正常氦液柱高度的动态热流自调节。通过保持密封瓶上池13的进出热量平衡、上池12中的超流氦不会升温转变成正常氦，这样就获得毛细管14中的超流相与正常相液氦两相共存。利用超流氦的极高热导率，装在上池12的温度计直接感受到超流氦与正常氦两相界面的转变温度，获得稳定性良好、基本无波动的平坦液氦超流转变温坪。只要超流氦与正常氦两相界面持续存在，温度计就能记录到稳定的超流转变温坪。通过做多个不同热流时的温坪，采用外推到零热流的方法求取液氦超流转变温度，消除了通过超流氦与正常氦两相界面的热流对液氦超流转变温度的下压效应，将液氦超流转变温度的复现性提高到0.1mK之内。其中，固定点装置中温度的控制可以通过在控温平台12上缠绕电阻丝或粘贴加热膜片来实现。

本发明可以自主决定实验时机，不受液氦供应限制，制冷机的运行只需要水电维持，特别适合长时间的运行，运行成本较低；实验开始时，制冷机的降温过程仅需1-2小时，不需预冷；实验结束后，不需氦回气压缩等后处理工序，时间成本低；制冷机的冷头温度稳定，整个装置的温场稳定，不会因输液氦而波动，控温时只需调节控温元件的温度设置值即可，控温过程容易；利用制冷机冷源技术，服务于液氦超流固定点复现技术，建立新的高性能低温温度固定点测量装置，为国家温度基准建设创造条件。

该装置以微型制冷机获得4.2K冷源，以液氦连续流闭循环减压降温获得1.8K的低温，为超流转变固定点提供稳定的冷源，有效地克服了以液氦为冷源的传统装置每隔一定周期(6小时)在液氦补给过程中对控温精度和连续性的影响。同时，本发明的装置中减压降温闭合循环环路内少量工质始终处于连续流动的状态，目前国内外尚无此类系统。

本发明多种制冷方式的组合应用，能够在更低温度，长时间连续工作。在运行过程中，通过多阶段运行模式的切换，由制冷机降温液化氦气获得的低温环境。装置内的少量工作介质可使装置恒温(1.8K)连续运行数百小时而只需水电供给，可以摆脱液氦资源匮乏的束缚。

利用超流固定点温坪，获得长时间基准级温坪测量环境，可以用原位法开展基准级的温度计热稳定性考核。本发明的固定点装置可以实现长期、高精度(0.1mK)的固定点温坪，结合制冷机的运行控制，让固定点和温度计一起加热升温到室温，进行多次的温循变温，再开展固定点复现，实现基准级的温度测量与校核。上述方法在国际上尚属首例。

本发明的制冷机气缸、冷头与减压降温循环环路的有机耦合，环路内的氦气在利用气缸沿程冷量进行预冷的同时、又可有效防止冷头之间冷量的传递，大大提高了制冷机冷却氦气的工作效率；将制冷机冷头与防辐射屏、独立真空室耦合，能有效降低防辐射屏温度，大幅降低辐射漏热、缩短降温时间、提高装置控温精度和测量效率；设置独立真空室，既方便于超流转变固定点单元顺利降温，又能保证该单元在绝热状态下复现温坪，消除残余漏热影响。

由具体的实施例以及工作过程的描述，可以方便对本发明进行理解和实施，但本领域技术人员应该理解，本说明书中列举的具体实施方案或实施例，只不过是为了理解本发明的技术内容，在不背离本发明的主旨和范围的情况下，本发明在形式上和细节上可以进行多种改变，以及在一定程度上进行的细节和形式上的变化，其依然将落在本发明所要求保护和公开的范围之内。