一种超流氦杜瓦低温恒温测试装置的制作方法

本发明涉及低温超导技术领域，具体涉及一种超流氦杜瓦低温恒温测试装置。

背景技术：

超流氦杜瓦低温恒温测试装置是利用超流氦制冷技术将工作环境控制在2k低温、3000pa负压进行极低温下高频超导腔体的性能测试的容器，是超导加速器系统中低温系统的关键设备。具体步骤为：先让低温制冷机系统制造4.2k饱和液氦并通入在杜瓦中再进行抽真空；减压降温至2k超流氦温区后，开始测试高频超导腔体；测试过程中产生的2k低温氦气经过杜瓦装置中的低温换热器，与4.2k来流液氦经充分换热后通过杜瓦装置上的节流阀，节流产生的2k超流液氦持续补偿测试中热蒸发损失的液氦，保持杜瓦测试装置中液面的稳定。超流氦杜瓦测试装置是能保持低温、真空环境的装配体，其性能的优劣直接关系到超导腔体测试成功与否，直接影响超导加速器整个低温系统的投资与运行成本。

为了在超流氦杜瓦测试装置的杜瓦内外筒体之间集成低温换热器等部件，现有超流氦杜瓦低温恒温测试装置一般都将杜瓦内外筒体设置为偏心结构，具体参见《低温工程》期刊2014年第6期出版的《超导腔2k垂直测试低温恒温器的设计》。这种偏向结构的装置会导致杜瓦体积较大，结构不紧凑，夹层空间利用率低。另外，由于这种偏心式结构，会造成杜瓦上盖板法兰空间有限，与低温传输管线对接操作对工人依赖性高，不仅造成低温工质传输效率下降，还容易导致低温系统整体漏热增大，同时也增大了人工操作的工作量，操作难度大，进而降低了提高了测试效率。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种超流氦杜瓦低温恒温测试装置，用以解决现有超流氦杜瓦低温恒温测试装置的夹层空间利用率低、漏热大、管线对接操作难度大等问题。

本发明提供一种超流氦杜瓦低温恒温测试装置，包括法兰盘、外筒体、内筒体和低温管路系统，所述内筒体设置于所述外筒体的内部且所述内筒体与所述外筒体的纵向中心线同轴，所述外筒体和内筒体的上端口通过所述法兰盘密封连接，所述法兰盘的底部端盖面上垂直连接有四根吊杆，所述吊杆的底端用于连接测试超导腔体；所述外筒体与所述内筒体之间设有液氮冷屏；所述低温管路系统包括分配阀箱、液氮冷屏恒温回路、液氦内筒体预冷降温支路、液氦内筒体恒温支路、氮气真空降压支路，所述分配阀箱设置于外筒体的外部且内置有预冷阀、节流阀、低温换热器，

其中，所述液氮冷屏恒温回路与所述液氮冷屏相连通，用于维持所述液氮冷屏内液氮恒温；

所述液氦内筒体预冷降温支路通过所述预冷阀与所述内筒体的内部连通，所述液氦内筒体恒温支路通过所述低温换热器的液体通路、所述节流阀与所述内筒体的内部连通，所述氮气真空降压支路连通所述内筒体的内部且通过所述低温换热器的气体通路与外部的真空机组连通，

所述液氦内筒体预冷降温支路与所述氮气真空降压支路共同构成内筒体降温回路，用于测试前将所述内筒体的内部的液氦温度降至4.2k；

所述液氦内筒体恒温支路与所述氮气真空降压支路共同构成内筒体恒温回路，用于测试过程中将所述内筒体的内部的液氦温度维持在2k。

优选地，所述液氮冷屏恒温回路包括液氮冷屏恒温液氮进管和液氮冷屏恒温氮气出管，所述液氮冷屏恒温液氮进管从外至内依次穿过所述分配阀箱、所述外筒体与所述液氮冷屏连通，并从所述液氮冷屏的顶端处穿入所述分配阀箱且与所述液氮冷屏恒温氮气出管相连通，以形成所述液氮冷屏恒温回路。

优选地，所述液氦内筒体预冷降温支路包括液氦降温进管、预冷阀和低温液氦预冷管道，所述液氦降温进管穿入所述分配阀箱内通过所述预冷阀与所述低温液氦预冷管道的进口相连通，所述低温液氦预冷管道从外至内依次穿过所述外筒体和所述液氮冷屏与所述内筒体内部相连通形成所述液氦内筒体预冷降温支路。

优选地，所述低温换热器内分别设有液体进口、液体出口、气态进口和气体出口，其中液体进口和液体出口相连通形成液体通路，气态进口和气体出口相连通形成气体通路；所述液氦内筒体恒温支路包括液氦恒温进管、节流阀和低温液氦运行管道，所述液氦恒温进管穿入所述分配阀箱与所述低温换热器的液体进口相连通，所述低温换热器的液体出口于所述分配阀箱内通过所述节流阀与所述低温液氦运行管道的进液口相连通，所述低温液氦运行管道穿出所述分配阀箱、从外至内依次穿过所述外筒体和所述液氮冷屏与所述内筒体内部的相连通，以形成所述液氦内筒体恒温支路；所述氮气真空降压支路包括低温氦气回气管道和氮气真空降压出管，所述低温氦气回气管道的进气口与所述内筒体的内部相接通，所述低温氦气回气管道从内至外依次穿过所述液氮冷屏、所述外筒体伸入至所述分配阀箱，所述低温氦气回气管道的出气口与所述低温换热器的气态进口相连通，所述低温换热器的气体出口与所述氮气真空降压出管进气口对接连通，以形成所述氮气真空降压支路。

优选地，所述外筒体外壁上设有常温磁屏蔽；所述内筒体内壁上设有低温磁屏蔽。

优选地，所述吊杆上水平设置有多个辐射挡板。

优选地，所述外筒体与所述内筒体之间设置有连通器装置，所述连通器装置包括储液管、通液管、通气管、液位计和信号线，所述储液管的底部与所述内筒体的底部通过所述通液管连通；所述储液管的顶部与所述内筒体的中部通过所述通气管连通；所述储液管内设置有液位计，所述液位计通过信号线向上伸出所述外筒体。

本发明的有益效果是：

本发明公开一种超流氦杜瓦测试装置，将外筒体与内筒体同轴心装配在一起，在简化结构的同时增加了外筒体与内筒体之间的夹层空间利用率，减小了杜瓦整体体积；采用了分两段对接而成的液氮冷屏恒温回路、液氦内筒体预冷降温支路、液氦内筒体恒温支路、氮气真空降压支路形成低温管路系统，其中将内部低温接头置于分配阀箱内加以保护，避免了超导腔体每次垂测时人工插拔低温连接管线时低温接头的漏热，增加了杜瓦与外部低温接头之间连接的可靠性。本发明公开的一种超流氦杜瓦测试装置，空间利用率好，漏热小，降低了在超导腔体每次测试时的漏热，简化了操作难度，提高了测试效率。

附图说明

图1为本发明实施例1提供的超流氦杜瓦测试装置的结构示意图；

图2为本发明实施例1提供的超流氦杜瓦测试装置的内部结构关系的结构示意图。

具体实施方式

本发明申请公开的《一种超流氦杜瓦低温恒温测试装置》涉及杜瓦装置，杜瓦装置是现有技术，常用杜瓦装置的结构形式可以参阅《真空与低温》期刊1988年第1期出版的《超流氦杜瓦制冷器》或《机械工程师》期刊2007年第4期出版的《低温杜瓦装置的结构设计与传热分析》。

实施例1

实施例1提供一种超流氦杜瓦低温恒温测试装置，下面对其结构进行详细描述。

参考图1，该装置包括法兰盘1、外筒体2、液氮冷屏3、内筒体4、常温磁屏蔽5、低温磁屏蔽6和低温管路系统。

其中，外筒体2外部为常温大气环境，其内部为真空环境。

内筒体4设置于外筒体2的内部且内筒体4与外筒体2的纵向中心线同轴，内筒体4与外筒体2等高，外筒体2与内筒体4之间通过液氮冷屏3连为一体。

为了进一步降低漏热，布置了常温合金磁屏蔽结构，内筒体内部布置低温坡莫合金磁屏蔽结构，大大减小了地磁场对测试超导腔体性能的影响，可以将杜瓦内筒体的测试环境磁场屏蔽至5mgs以下。具体地，外筒体2外壁上设有常温磁屏蔽5，内筒体4内壁上设有低温磁屏蔽6。具体地，常温磁屏蔽5与外筒体2通过压杆搭接，低温磁屏蔽6与内筒体4通过压杆搭接。

外筒体2和内筒体4的上端口通过法兰盘1密封连接。

法兰盘1的底部端盖面上垂直连接有四根吊杆9，吊杆9上水平设置有多层辐射挡板10。具体地，吊杆9与法兰盘1通过螺纹连接。其中，吊杆9的底端用于连接测试超导腔体100，辐射挡板10用于减少辐射漏热。

低温管路系统包括分配阀箱11、液氮冷屏恒温回路、液氦内筒体预冷降温支路、液氦内筒体恒温支路、氮气真空降压支路，

其中，分配阀箱11设置于外筒体2的外部且内置有预冷阀141、节流阀142、低温换热器12。为了便于安装低温换热器12，将低温换热器12、预冷阀141和节流阀142组装在分配阀箱11内部，分配阀箱11的各面板都可单独拆卸，安装、维修时，可将低温换热器12整体移动抽出。

液氮冷屏恒温回路与液氮冷屏3相连通，用于维持液氮冷屏3内液氮77k的恒温；

液氦内筒体预冷降温支路通过预冷阀141与内筒体4的内部连通，液氦内筒体恒温支路通过低温换热器12的液体通路、节流阀142与内筒体4的内部连通，氮气真空降压支路连通内筒体4的内部且通过低温换热器12的气体通路与外部的真空机组连通，

液氦内筒体预冷降温支路与氮气真空降压支路共同构成内筒体降温回路，用于测试前将内筒体4的内部的液氦温度降至4.2k；

液氦内筒体恒温支路与氮气真空降压支路共同构成内筒体恒温回路，用于测试过程中将内筒体4的内部的液氦温度维持在2k。

作为具体的实施方式，液氮冷屏恒温回路包括液氮冷屏恒温液氮进管131和液氮冷屏恒温氮气出管135，液氮冷屏恒温液氮进管131从外至内依次穿过分配阀箱11、外筒体2与液氮冷屏3连通，并从液氮冷屏3的顶端处穿入分配阀箱11与液氮冷屏恒温氮气出管135相连通，以形成液氮冷屏恒温回路。

作为具体的实施方式，液氦内筒体预冷降温支路包括液氦降温进管132、预冷阀141和低温液氦预冷管道81，液氦降温进管132穿入分配阀箱11内通过预冷阀141与低温液氦预冷管道81的进口相连通，低温液氦预冷管道81从外至内依次穿过外筒体2和液氮冷屏3与内筒体4内的底部相连通形成液氦内筒体预冷降温支路。

作为具体的实施方式，低温换热器12设置于分配阀箱11内，低温换热器12内分别设有液体进口、液体出口、气态进口和气体出口，其中液体进口和液体出口相连通形成液体通路，气态进口和气体出口相连通形成气体通路。

作为具体的实施方式，液氦内筒体恒温支路包括液氦恒温进管133、节流阀142和低温液氦运行管道82，液氦恒温进管133穿入分配阀箱11与低温换热器12的液体进口相连通，低温换热器12的液体出口于分配阀箱11内通过节流阀142与低温液氦运行管道82的进液口相连通，低温液氦运行管道82穿出分配阀箱11、从外至内依次穿过外筒体2和液氮冷屏3与内筒体4的中部相连通，以形成液氦内筒体恒温支路。

氮气真空降压支路包括低温氦气回气管道83和氮气真空降压出管134，低温氦气回气管道83的进气口与内筒体4的内部相接通，低温氦气回气管道83从内至外依次穿过液氮冷屏3、外筒体2伸入至分配阀箱11，低温氦气回气管道83的出气口与低温换热器12的气态进口相连通，低温换热器12的气体出口与氮气真空降压出管134进气口对接连通，以形成氮气真空降压支路。

需要说明的是，氮气真空降压出管134的出气口用于与真空机组对接。当外部的真空机组工作时，内筒体4上部的氦气被抽出来，内筒体4内部压强降低，根据pv＝nrt，由于内筒体4内部的总体积保持不变时，进而导致杜瓦内筒体4内的液氦温度随着压力降低而降温。

低温液氦预冷管道81、低温液氦运行管道82和低温氦气回气管道83相互独立共同组成了低温超流氦注液回气管道8，低温超流氦注液回气管道8于液氮冷屏3内部螺旋缠绕于内筒体4外壁。

液氮冷屏恒温液氮进管131、液氦降温进管132、液氦恒温进管133、氮气真空降压出管134和液氮冷屏恒温氮气出管135从左自有依次设置组成了多通道低温传输管线。

为了便于实时观测内筒体4内部的超流氦液位情况，提高液位传感器的安装与测量稳定性，外筒体2与内筒体4之间设置有连通器装置7，连通器装置7包括储液管70、通液管71、通气管72、液位计和信号线73，储液管70的底部与内筒体4的底部通过通液管71连通；储液管70的顶部与内筒体4的中部通过通气管72连通；储液管70内设置有液位计，液位计通过信号线73向上伸出外筒体2。

工作流程包括以下步骤：

将测试超导腔体100挂设于吊杆9上；

液氮从氮冷屏恒温液氮进管131流入液氮冷屏3，经过液氮冷屏3变为气体，氮气从液氮冷屏恒温氮气出管135流出以形成液氮冷屏恒温回路，该流通的液氮-气氮循环回路使液氮冷屏3的液氮温度降至为77k并持续保持；

测试前，4.2k的饱和液氦从液氦降温进管132流入，经过预冷阀141和低温液氦预冷管道81流入内筒体4的底部，以达到测试前将内筒体4的内部的液氦温度降至4.2k的目的；期间，为了充分利用冷氦气排出上升过程中自身的显热，使冷氦气从内筒体4上部内壁侧面的孔口通过低温氦气回气管道83到达低温换热器12的的气态进口，最后该氦气从低温换热器12的的气态出口排出。

测试过程中，4.2k的饱和液氦从液氦恒温进管133流入，从低温换热器12的液体进口进入低温换热器12，经过换热后变为2.2k的液氦经过节流阀142后成为2k超流氦流入内筒体4的内部，以维持内筒体4的内部温度为2k；期间，超导腔体测试中蒸发产生的2k氦气经过内筒体4上部的低温氦气回气管道83到达低温换热器12的的气态进口，经过换热后氦气温度变为3.3k，该氦气从低温换热器12的的气态出口排出。

测试过程中超流氦液位由连通器装置7实时测量监测。

辐射挡板10在测试中将会阻止内筒体4内部产生的2k低温氦气与法兰盘1产生对流传热，以避免法兰盘上端出现结霜现象。

虽然，上文中已经用一般性说明及具体实施例对本发明作了详尽的描述，但在本发明基础上，可以对之作一些修改或改进，这对本领域技术人员而言是显而易见的。因此，在不偏离本发明精神的基础上所做的这些修改或改进，均属于本发明要求保护的范围。