CN102971594A - 用于使用静态和移动气体来控制低温的低温恒温器中的温度的方法和设备 - Google Patents

Abstract

一种用于提供温度调节的低温恒温器，其一个目的在于测量材料的物理性质，该低温恒温器采用用于在样本空间（21）内产生可变磁场的超导磁体组件（19）以及用于冷却该样本空间的低温冷却器（30、31、33、50、52）。低温冷却器室（22）的配置在低温冷却器的不同级之间提供有效的热交换，而不需要物理热联接。该构造使得能够将冷却功率从低温冷却器选择性地传送至低温恒温器内的期望区域，而无需使用柔性物理热联接。逆流交换器（43）和环境温度阀（40、46）有利于低温冷却器级（30、31）的有效使用。实现了在扫描模式中运行的同时移除超导磁体生成的大的热负荷，这部分地通过采用在低温冷却器室与磁体组件之间的实心板（27）热耦接元件来实现。

Description

用于使用静态和移动气体来控制低温的低温恒温器中的温度的方法和设备

技术领域

本发明总体上涉及低温恒温器（cryostat）中的温度调节，使用此类低温恒温器的示意性目的在于作为用于调节低温测量室中的温度的设备和方法，同时使用低温冷却器作为制冷源来冷却超导磁体。

背景技术

已经可用系统来采用低温恒温器对低温区域中的温度进行调节。此类低温恒温器的一个用途在于测试试样（specimen）的物理性质。关于针对不同性质来测试各种类型试样的物理性质的需求近年来显著增加。目前存在这样的系统，该系统用于通过编制任意顺序的温度和场扫描（fieldsweep）及步骤来表示在各种测量情况下各种材料的物理特征，以这种顺序来表示样本（sample）试样的各种物理性质。

此类系统通常包括低温室，该低温室具有多个热屏、诸如氦的冷却剂、冷却源（低温冷却器）、超导磁体、样本室、和用于控制温度的设备，所有这些项目可被称为低温恒温器。低温测试室中的温度调节需要热能的供应与损耗之间的精密平衡，并且已设计各种方法以在低（冷冻）温度下完成此类任务。具体控制方案的效率的一个测量是温度范围的宽度，在该温度范围上控制能有效且高效地保持，以及在该范围中任何温度处实现持久性和稳定性。整个系统性能的附加测量是冷却剂使用量，优选为较低的使用率。

此类测量系统的一个实例使用设计为执行各种自动测量的可变温度场控制设备。为进行实验，该系统需要快速地改变磁场（一般在±16特斯拉之间），同时保持磁体一般在大约4.2K的恒温处。同时，包含样本试样和相关实验设备的室通常以任意顺序的温度（范围从大约400K至低于约2K）来控制。该功能需要这样一种系统设计，该系统设计能在不同的温度下将各种量的冷却功率传送至该系统的不同部件。此外，通常的测试进度要求实现低于典型低温冷却器的最冷级的样本温度（大部分实际情况下为4.2K）并且因此采用液氦连续流的蒸发处理。

通常，吉福德-麦克马洪（GM）或GM型脉冲管低温冷却器（PTC）用于此目的。PT低温冷却器在不同的温度级运行时提供不同量的冷却功率。较高的温度级提供比较低温度级明显更高的冷却功率。此类低温冷却器的一个实例是PT410（由纽约州雪城的Cryomech公司销售），其可以在50K的温度级提供大约40W的冷却功率，但在4.2K的级仅能提供大约一瓦特的冷却功率。

许多目前可用的设计致力于提供可变冷却功率至超导磁体和样本室，这通过采用多级PTC（三级或更多级）与用于将低温冷却器耦接至低温恒温器组件的剩余部分的各种方法的组合一起来实现。PTC与低温恒温器的其他元件（诸如固定的热交换器单元）之间的柔性编织金属联接（link）通常被用作将PTC冷却元件物理地耦接至低温恒温器剩余部分。使用柔性物理联接或固定的热交换器限制了测量系统的模块性及使用，这是因为物理联接对PTC与其他低温恒温器元件之间的热交换设定了上限，并且如果需要增加的热交换率则附加的热耦接件是必需的。总的来说，低温冷却器与低温恒温器的剩余部分之间的物理耦接明显使维护变得复杂并且增加了整个系统的复杂性和成本。

典型的脉冲管低温冷却器单元在正常的操作情况下产生频率大约为1Hz的振动。因而，一种采用物理联接的系统将多余的振动能从PTC传送入样本区域，这对于对较小运动特别敏感的应用是不利的，诸如光学干涉度量法，其中需要特别注意防止PTC的振动能污染样本信号。已致力于将样本信号从PTC的振动运动中分离。

一些目前可用的低温测量系统使用分离的再冷凝器模块，以将气态的冷却剂转换为液态形式，这种液态形式通常是在最低温度下的低温恒温器操作所需的。该方法增加了系统的复杂性和成本，同时限制了使用的灵活性，因为再冷凝器单元需要物理接触PTC。本技术领域中已认识到通常需要多个（或多级）低温冷却器单元以获得非常低的温度，大约4.2K或更低。

在不同温度下连接和分离不同的低温冷却器级的挑战性任务已在一个先有技术实例中的得以解决，该实例采用具有至少三个级的低温冷却器设备与多个热交换器的相结合，以将冷却功率从不同的级输送至低温恒温器中的期望区域。

其他先有技术至少理论上提供了这样的教导，机械阀可用于在多级低温冷却器操作期间可打开和关闭耦接管，以调节冷却功率分布。然而，构造可靠的低温阀的难度限制了该方法的实用性。一种用于调节低温室中温度的替换方法使用双毛细管入口室和多级冷却器/加热器设备。虽然此类设计允许在期望范围上在样本室中的平滑温度调节，但其增加了测量设备的成本和复杂性，并且不能满足当超导磁体在扫描模式（sweep mode）中操作时将额外的冷却功率传送至超导磁体的需要。

发明内容

在体现本发明原理的用于温度调节的系统中，由超导磁体产生变化的磁场。在一个实施方式中，通过选择性地将冷却功率从低温冷却器组件传送至该系统设备内部的不同区域，来在各种温度范围下控制样本室中的温度。该磁体组件至少部分保持在4.2K的大致恒定的温度处，这通过与热传导元件固体传导接触来实现，该热传导元件由通过低温冷却器冷凝的气态或液态氦进行冷却。

此类布置允许对样本试样同时进行温度扫描和控制（在400K至低于2K之间），以及允许使用单个的多级氦温度低温冷却器（不依赖于先有技术的物理联接）、低温移动部件、以及用于热分布和控制的机械阀来冷却高磁场（high-field）超导磁体。本系统利用非常少的外部供给的氦气来提供快速的初始冷却（24小时或更少），并且能够长时间的操作而无需维修，且使用最少的（如果有的话）氦气补充。在本系统一般使用液氦在低温冷却器的底部操作的情况下，大约4.2k的气态氦就足够了。

本发明实施方式的设备特别用于去除由扫描超导磁体产生的大热负载，这通过在冷却器室的底部部分处的液态冷却剂与磁体顶部凸缘之间提供非常高传导性的联接（实心（solid）板或杆）来实现。本发明实施方式的低温恒温器的结构通过使用热虹吸管效应而避免了通常使用的柔性铜联接，并且因此简化了低温恒温器的设计，并在冷却设备与低温恒温器的剩余部分之间提供了大的热传导。

从冷却器室底部提取的液态氦的蒸发冷却用于将样本室冷却至低于约2K。该液体通过在低温冷却器第二级上的冷凝产生并滴入冷却室底部中的槽（pool）。该液态冷却剂然后通过从冷却器室底部中的槽引出的固定流量的毛细管传送至蒸发室。在初始系统冷却期间和在操作期间，磁体的冷却机构穿过磁体与冷却器室的底部之间的4.2K的实心传导板。正常操作期间，冷却室底部通过直接接触冷却室中的液体进行冷却。在初始系统冷却期间，冷却器室底部通过与低温冷却器的第一和第二级的浮力对流（buoyant convection）来进行冷却。

更具体地，本发明包括用于调节温度的低温恒温器设备，该设备包括：

在低温恒温器内部的至少一个制冷部件（refrigerated component，冷冻部件），所述至少一个制冷部件需要利用可变热负载和操作温度来进行选择性冷却；

低温冷却器室，具有壁以及至少一个环境温度冷却剂气体入口端口，所述壁具有外表面和限定所述低温冷却器室的内部的内表面；

低温冷却器，具有至少一个降温级，所述低温冷却器至少部分在所述低温冷却器室内部；

用于将低温冷却器设备连接至环境温度冷却剂气体源的装置；

主进气管，用于将所述冷却剂气体源连接至所述气体入口端口；

至少两个虹吸端口，穿过所述低温冷却器室的所述壁，一个所述虹吸端口布置为从所述低温冷却室去除气态或液态形式的制冷冷却剂，制冷冷却剂已经通过与所述低温冷却器的所述至少一个降温级进行热交换而自环境温度冷却；

至少一根冷却剂管，将所述至少两个虹吸端口中的一个连接至所述至少一个制冷部件；以及

至少一根低温恒温器出口管，从所述至少一个制冷部件延伸至低温恒温器的外侧并且配置为使冷却剂在为所述至少一个制冷部件提供了冷却之后流出低温恒温器。

本发明进一步限定为这样一种用于调节温度的低温恒温器设备，该设备包括：

在低温恒温器内部的至少一个制冷部件，所述至少一个制冷部件需要利用可变热负载和操作温度来进行选择性冷却；

低温冷却器室，具有壁以及至少一个环境温度冷却剂气体入口端口，所述壁具有外表面和限定所述低温冷却器室的内部的内表面；

低温冷却器，具有至少一个降温级，所述低温冷却器至少部分在所述低温冷却器室内部；

用于将低温冷却器设备连接至环境温度冷却剂气体源的装置；

主进气管，用于将所述冷却剂气体源连接至所述气体入口端口；

至少两个虹吸端口，穿过所述低温冷却器室的所述壁，一个所述虹吸端口布置为从所述低温冷却室去除气态或液态形式的制冷冷却剂，制冷冷却剂已经通过与所述低温冷却器的所述至少一个降温级进行热交换而自环境温度冷却；

至少一个冷却剂管，将所述至少两个虹吸端口中的一个连接至所述至少一个制冷部件；

至少一根低温恒温器出口管，从所述至少一个制冷部件延伸至低温恒温器的外侧并且配置为使冷却剂在为所述至少一个制冷部件提供了冷却之后流出低温恒温器；以及

外壳，具有顶部，所述外壳顶部的外表面处于环境温度；

一个所述制冷部件包括：

环境温度隔离阀；

第一管，从所述隔离阀延伸穿过所述外壳顶部进入所述外壳内部；

所述外壳内部的第一级冷阱（cold trap），所述管连接至该冷阱；

所述外壳内部的第二级冷阱；以及

第二管，从所述第一级冷阱延伸至所述第二级冷阱；以及

吸附泵（sorption pum），耦接在所述第二级冷阱内部。

进一步限定本发明，其包括用于调节温度的低温恒温器设备，该设备包括：

在低温恒温器内部的至少一个制冷部件，所述至少一个制冷部件需要利用可变热负载和操作温度来进行选择性冷却；

低温冷却器室，具有壁以及至少一个环境温度冷却剂气体入口端口，所述壁具有外表面和限定所述低温冷却器室的内部的内表面；

低温冷却器，具有至少一个降温级，所述低温冷却器至少部分在所述低温冷却器室内部；

用于将低温冷却器设备连接至环境温度冷却剂气体源的装置；

主进气管道，用于将所述冷却剂气体源连接至所述气体入口端口；

至少两个虹吸端口，穿过所述低温冷却器室的所述壁，一个所述虹吸端口布置为从所述低温冷却室去除气态或液态形式的制冷冷却剂，制冷冷却剂已经通过与所述低温冷却器的所述至少一个降温级进行热交换而自环境温度冷却；

至少一根冷却剂管，将所述至少两个虹吸端口中的一个连接至所述至少一个制冷部件；

至少一根低温恒温器出口管，从所述至少一个制冷部件延伸至低温恒温器的外侧并且配置为使冷却剂在为所述至少一个制冷部件提供了冷却之后流出低温恒温器；

外壳，具有顶部，所述外壳顶部的外表面处于环境温度下；

在第一所述至少一根冷却剂管内的逆流热交换器（CFE）；以及

第一环境温度流量控制阀，在所述外壳外部连接至所述第一至少一根冷却剂管，所述CFE包括：

加温管，沿其长度的至少一部分与冷却管热接触，所述加温管具有耦接至所述至少两个虹吸端口中的一个的冷入口以及耦接至所述第一流量控制阀的热出口；

所述冷却管具有耦接至所述流量控制阀的热入口以及耦接至所述至少一个制冷部件的冷出口；

所述CFE配置成控制制冷冷却剂至所述至少一个制冷部件的流动。

本发明的方法被描述为这样一种用于调节低温恒温器设备中的温度的方法，该设备包括：低温冷却器室，具有至少一个环境温度气体入口端口；低温冷却器，具有至少一个降温级，所述低温冷却器至少部分在所述低温冷却器室内；制冷容积（refrigeration volume），包括低温冷却器的至少一个降温级与低温冷却器室的内壁之间的空间，并且气体入口端口穿透到该空间中；用于连接至环境温度冷却剂气源的装置；至少一个气体或液体虹吸端口，位于低温冷却器室的壁内；至少一个制冷部件，至少部分位于低温恒温器内侧且至少部分位于制冷容积外侧，并且需要冷却；冷却剂管，将每个气体或液体虹吸端口连接至所述至少一个制冷部件中的一个；至少一根低温恒温器出口管，从所述至少一个制冷部件的一个延伸至低温恒温器的外侧并布置为使冷却剂流出低温恒温器；该方法包括：

使环境温度冷却剂流入气体入口端口并进入低温冷却器室的制冷容积；

使冷却气体流过制冷容积并因而通过与低温冷却器的一个或多个逐渐变冷的降温级的热交换来冷却冷却剂；

通过至少一个虹吸端口从制冷容积抽取制冷冷却剂；

将制冷冷却剂从至少一个虹吸端口传送至所述至少一个制冷部件中的至少一个，以冷却制冷部件；以及

使冷却剂经由至少一个低温恒温器出口管从制冷部件流动至外侧。

本方法进一步描述为这样一种用于调节低温恒温器设备中的温度的方法，该设备包括：低温冷却器室，具有至少一个环境温度气体入口端口；低温冷却器，具有至少一个降温级，该低温冷却器至少部分在低温冷却器室内；制冷容积，包括低温冷却器的至少一个降温级与低温冷却器室的内壁之间的空间，并且气体入口端口穿透至该空间中；用于连接至环境温度冷却剂气源的装置；至少一个气体或液体虹吸端口，位于低温冷却器室的壁内；至少一个制冷部件，至少部分位于低温恒温器内侧且至少部分位于制冷容积外侧，并且需要冷却；冷却剂管，将每个气体或液体虹吸端口连接至所述至少一个制冷部件中的一个；至少一根低温恒温器出口管，从所述至少一个制冷部件中的一个延伸至低温恒温器的外侧并布置为使冷却剂流出低温恒温器；至少一个虹吸端口，具体地定位成对制冷容积内部的不同温度的冷却剂流进行采样；所述冷却剂管中的至少一根冷却剂管将至少一个气体或液体虹吸端口连接至至少一个制冷部件，该至少一根冷却剂管包括逆流换热器（CFE）以及至少一个环境温度流量控制阀，该CFE包括加温管，该加温管沿其长度的一部分与冷却管热接触，该加温管具有连接至冷却剂虹吸端口的冷入口以及连接至第一环境温度流量控制阀的热出口，该冷却管具有连接至至少一个环境温度流量控制阀的热入口以及耦接至至少一个制冷部件的冷出口，其中CFE布置为控制制冷冷却剂至至少一个制冷部件的流动，该方法包括：

使环境温度冷却剂流入气体入口端口并进入低温冷却器室的制冷容积；

使冷却气体流过制冷容积并因而通过与低温冷却器的一个或多个逐渐变冷的降温级的热交换来冷却冷却剂；

通过至少一个虹吸端口从制冷容积抽取制冷冷却剂；

将制冷冷却剂从至少一个虹吸端口传送至所述至少一个制冷部件中的至少一个，以冷却制冷部件；以及

使冷却剂经由至少一个低温恒温器出口管从制冷部件流动至外侧。

通过第一虹吸端口从制冷容积抽取制冷冷却剂的一部分，该虹吸的冷却剂被冷却至大于冷却器的最小降温级的温度；

通过至少一个附加的虹吸端口从制冷容积抽取冷却剂流的另一部分，该虹吸的冷却剂已冷却至小于第一虹吸端口的温度；

通过一下方式控制制冷冷却剂至至少一个制冷部件的流动：

使从至少一个虹吸端口中的一个抽取的制冷冷却剂流动进入CFE的冷入口；

通过与CFE中的冷却流的热交换来逐渐对冷却剂流加温，直到该冷却剂流被加温至环境温度；

使环境温度的冷却剂通过环境温度流量控制阀；

使用环境温度流量控制阀来控制冷却剂流；以及

通过与CFE中的暖流进行热交换来逐渐冷却来自环境温度流量控制阀的该流动，直到该流动被冷却至基本为制冷冷却剂温度；并将该冷却剂传送至至少一个制冷部件。

本发明附加地限定为这样一种用于调节温度的低温恒温器设备，该设备包括：

外壳；

低温冷却器室，至少部分位于所述外壳内，所述低温冷却器室具有底部区段和至少一个虹吸端口；

低温冷却器，至少部分位于所述低温冷却器室内，所述低温冷却器具有至少一个降温级；

第一管，从所述低温冷却冷却器室延伸至所述外壳外部，所述第一管适合于连接至冷却剂源；

逆流热交换器（CFE），耦接至所述低温冷却器室的第一虹吸端口，所述CFE包括：

第一CFE管，从所述低温冷却器室延伸至所述外壳外侧；

环境CFE阀，在所述第一CFE管内并在所述外壳的外部；以及

第二CFE管，连接至所述环境CFE阀并延伸入所述外壳内部，

所述第二CFE管在所述外壳内至少部分地与所述第一CFE管共同延伸并环绕所述第一CFE管；以及

至少一个制冷部件，在所述外壳内部，所述第二CFE管控制制冷冷却剂至所述至少一个制冷部件中的至少一个的流动。

本发明以稍微不同的方式限定为这样一种用于调节温度的低温恒温器设备，并且包括：

外壳；

超导磁体组件，位于所述外壳内；

低温冷却器室，至少部分位于所述外壳内，所述低温冷却器室具有底部区段和至少一个虹吸端口；

低温冷却器，至少部分位于所述低温冷却器室内，所述低温冷却器具有至少一个降温级；

第一管，从所述低温冷却冷却器室延伸至所述外壳外侧，所述第一管适合于连接至冷却剂源；以及

低温板，热耦接在所述底部区段与所述磁体组件之间。

本发明还是这样一种用于调节温度的低温恒温器设备，并且包括：

外壳；

低温冷却器室，至少部分地位于所述外壳内，所述低温冷却器室具有底部区段和至少两个虹吸端口；

低温冷却器，至少部分位于所述低温冷却器室内，所述低温冷却器具有至少一个降温级；

第一管，从所述低温冷却器室延伸至所述外壳外侧，所述第一管适用于连接至冷却剂源；

至少一个制冷部件，位于所述外壳内；以及

第一冷却剂管，耦接在所述至少两个虹吸端口中的一个与所述至少一个制冷部件中的一个之间。

本发明还是这样一种用于调节温度的低温恒温器设备，并且包括：

外壳；

至少一个制冷部件，位于所述外壳内；

超导磁体组件，是一个所述至少一个制冷部件；

低温冷却器室，至少部分位于所述外壳内，所述低温冷却器室具有底部区段和至少一个虹吸端口；

低温冷却器，至少部分位于所述低温冷却器室内，所述低温冷却器具有至少一个降温级；

第一管，从所述低温冷却冷却器室延伸至所述外壳外侧，所述第一管适合于连接至冷却剂源；

中间温度板，热耦接在一个所述至少一个降温级与一个所述至少一个制冷部件之间；以及

低温板，热耦接在所述底部区段与所述磁体组件之间。

附图说明

在结合附图阅读以下详细说明时，本发明的目的、优点和特征将从以下的详细说明中变得更加显而易见，附图中：

图1是根据本发明设备的实施方式的示意图；

图2是根据本发明设备的替换实施方式的示意图；

图3是低温容器的示意图，示出了根据本发明设备的超导磁体组件的细节；以及

图4是低温容器的示意图，示出了根据本发明设备的低温泵组件以及对低温恒温器组件的热连接和气体连接。

具体实施方式

本发明提供了一种用于低温测量系统中的温度调节的设备和方法，其采用超导磁体，并使用静态和运动气体在低温冷却器与低温恒温器组件的剩余部分之间进行热交换。

低温恒温器设备

本发明设备的示例性实施方式在图1中示出。低温恒温器11包括外部真空室或外壳12，所述外部真空室或外壳在顶部通过顶部元件或板13（该元件或板也可称为“300K”顶板）封闭。该顶板可由诸如铝的任何适当的材料制成，并且该顶板的上表面通常处于室温。值得注意，外壳12的顶部可以是平的、凹的、凸的、或任何其他形状，并且所述顶部能与壳12一体形成。为方便，元件13在本文中将通常被称为顶板。该外壳内侧的容器被抽空，从而提供隔热。该顶板具有开口、或室进出端口14，以提供到样本室21的通路。

如图中示出，该低温恒温器可选地包括内壳16。内壳16用作“50K”热辐射防护物并且在顶部通过防护板17封闭。当该防护板包括在低温恒温器中时，所述防护板可以借助多根支撑杆18中的一根以及冷却器室22的上冷却器室23而附接至顶板13。防护板17可以被称为“50K防护板”或被称为“中间温度板”。如同顶板13那样，防护板17可以具有任何合适的形状且可与壳16一体形成。虽然内壳16对于低温恒温器的适当功能不是必需的，但发现使用内壳可改进低温恒温器的性能。

超导磁体19（其可以被称为磁体设备或组件）示出在内壳16的内侧并且形成有内孔20，所述内孔容纳样本室21的下部分。当低温恒温器11用作实验室仪器时采用此类样本室。低温冷却器室22由上冷却器室区段23、下冷却器室区段24、以及与“4.2K”板27直接热接触的室底部区段26组成。所述4.2K板和室底部区段26优选由无氧高传导性铜（OFHC）或其他高传导性材料制成，比如铝、银、或其他等级的铜，以实现高的导热性。板27也可以被称为“低温板”，并且可以具有任何合适的形状或配置。此外，底部部分26的内侧面可以配置有翅片或其他特征，以增强与冷却器室的底部中的液体或气体或这两者的热交换。

室区段23和24以及支撑杆18通常由常规的G10玻璃纤维环氧材料制成，并且在区段23和24中具有金属扩散屏障。该扩散屏障防止冷却剂漏入低温恒温器的真空空间内且降低低温恒温器部件之间的隔热。如本技术领域中公知的，该G10杆具有一定量的柔性。该G10材料可由任何低导热性材料（诸如不锈钢、白铜、或类似的合金）替换，以及由诸如聚酰亚胺的塑料替换。

磁体19的结构性支撑（其可以具有达到约100kg的质量）由室22、4.2K板27、以及支撑杆18提供。作为实例，支撑杆18的数量可以为两根或三根。冷却器室22通过任何适当的导热装置（诸如胶或某些其他粘合剂）附接至顶板13、第一级颈环29、和4.2K板27。支撑杆18通过任何合适的装置适当地连接至顶板13、50K防护板、和4.2K板27。

50K防护板17关于顶板13的可能出现的任何横向热收缩都由支撑杆18的相关柔性适应。支撑杆与室区段23和24之间相对大的距离显著地降低了4.2K板内部的可能的竖直变形，该竖直变形在其他情况下可能是由支撑杆的热收缩和冷却器室22收缩之间的不平衡所导致。该组件的横向和抗扭刚度主要由室区段23和24提供，与此同时竖直支撑和对准来自于室区段和支撑杆的组合。

虽然该低温恒温器设备在图中示出为具有总体上竖直的定向（除了布置于冷却器室22中的冷却器），但这些部件无需竖直布置。

PTC冷却器设备

在一个示意性实施方式中，该系统采用常规的脉冲管低温冷却器（PTC）作为低温恒温器设备中的冷却功率源。该PTC冷却器是由顶部或环境温度凸缘33、管30和31、以及冷却级50和52（所有这些部件都布置于室22内部）组成的单元。该冷却器通常具有至少两个冷却级，每个冷却级在不同温度下提供不同量的冷却功率。PTC冷却器的较高温度级提供比较低温度级明显较高的冷却功率。例如，适用于本发明描述的实施方式的典型PTC冷却器（如Cryomech PT410）可以具有第一级50，所述第一级的冷却容量（cooling capacity）使得其以40W的热负载保持50K的温度，但是用1W热负载仅能保持30K的温度。作为对比，第二级52在50K下没有提供如此多的冷却容量，但能使用1W的热负载保持4.2K的温度。可同时在两个级使用完全冷却容量。

也可使用其他类型的低温冷却器，但可应用PTC冷却器，因为该冷却器除了从不同的冷却级提供冷却功率，还能在位于不同级之间的再生器区域处提供连续温度的冷却。本发明的设备可利用该附加冷却功率，因为冷却剂与冷却器的所有外表面直接接触。在该配置中，该PTC冷却器特别适用于对来自空气温度的冷却剂气体进行制冷，因为能在更高温度的气体遇到冷却器级之前从该气体中提取更多热量。在最高可能温度处提取热量的该原理在本领域中公知为实现高冷却效率的方式。

如此处使用的，一般性的术语“冷却剂”可以是气体或液体，并且“制冷冷却剂”也可以是气体或液体。

PTC冷却器被选择为用于这些实施方式的冷却器类型的另一个原因在于，该冷却器的与低温恒温器紧密接触的部分没有移动部件。因此，相比于GM类型的冷却器，该冷却器传递给低温恒温器的振动显著降低。这是非常有利的，因为这些振动会不利地影响物理性能测量系统中的测量质量。

冷却分布和冷却剂流

本发明的设备使用气体交换作为从PTC冷却器的各种级抽取冷却功率并将该冷却功率传送至各种低温恒温器部件的主要手段。低温冷却器的环境温度凸缘33安装至顶板13并且冷却级50和52位于低温冷却器室22的内侧。主冷却剂入口管34通过通到环境温度冷却剂气体源的环境温度阀37而附接至外部冷却剂入口或填充端口36，所述冷却剂气体例如为氦，所述氦可以为氦4同位素，所述气体源能选择性地连接至气瓶（未示出）以及循环气泵或泵送系统56。这是用于低温冷却器室22的冷却剂源。也可能省掉阀37并且填充端口36可以是冷却剂的外部贮存器。

进入所述入口端口的冷却剂气体通过与冷却器级的热交换进行制冷。随着冷却剂沿第一冷却器室管30向下行进，冷却剂通过对流热交换将热量传递至第一冷却级50且随后沿第二冷却器室管31将热量传递至低温冷却器的第二冷却段52。所产生的制冷冷却剂对冷却器室的壁中的任何热传导区域进行冷却，这些热传导区域然后通过与室外侧上的传导区域的固体传导接触来冷却低温恒温器中的其他部件。例如，第一级50附近的制冷冷却剂冷却颈环29以及与颈环热耦接的整个50K防护板组件17，而靠近第二级52的制冷冷却剂则冷却底部区段26、4.2K板27、以及磁体组件19。底部区段、4.2K板、以及磁体组件全都是热耦接的。其他低温恒温器部件（例如为样本室21）可通过与从冷却器室内的不同位置虹吸来的循环制冷冷却剂气体或液体或这两者进行热交换而被冷却。真空隔离空间和隔热室区段23和24显著地降低了低温恒温器部件之间的其他杂散热连通（stray thermal communication）。

由于制冷制冷剂用于将冷却功率从冷却器传送至冷却器室的壁并传送至低温恒温器中的其他制冷部件，因此没有将PTC冷却器的第一级或第二级耦接至冷却器室的剩余部分或低温恒温器的物理连接。该布置允许相对于低温冷却器的整体性而言非常高水平的模块性，这是因为在低温冷却器的冷却级50和52与环境温度凸缘33下方的冷却器室22之间无需机械连接或流动控制设备。该结构提供了明显优于之前可获得的系统的优点，包括降低构造复杂度、由于较少的机械部件而具有较高的可靠性、方便保养和维修、减少了低温冷却器与其他低温恒温器部件之间的振动耦合、以及能更灵活地控制冷却功率至测量系统的剩余部分的传送。

由以上机构冷却的另外可选的低温恒温器部件是用于超导低温磁体19的电流引线组件，如图3示出。该电磁体必须连接至室温电源，以提供产生磁场所需的电流。该电流可超过100amp，因此需要在低温恒温器外侧的室温区域与低温恒温器内侧的磁体之间需要大的导电体。然而，大的正常金属（非超导）导体也传导大量的热。这将在低温恒温器中的最低温度部件上产生不可承受的热负载。在该实施方式中，在第一级温度下在耦接至顶板13的端子70与热锚定部（thermal anchor）72之间采用正常金属导体71。超导引线73在磁体的温度下在第一级锚定部与热锚74之间运载电流。在第一级温度下的热锚定部确保了超导引线的整个长度足够冷，以在正常操作期间保持在超导引线的转变温度之下。对于由超导体钇钡铜氧化物（YCBO）制成的超导体，该转变温度是90K。使用超导磁体引线在在本技术领域中为公知的，其中在低温下需要高的电流。在该实施方式中，超导引线的底部74和顶部72处的热锚定点分别通过固体热传导提供至4K板27和第一级颈环29。与先有技术不同，该热接触在没有直接物理连接至冷却器级的情况下实现。外部、环境温度引线75设置用于连接至必要的电源（未示出）。为简洁，此处未示出支撑杆18。

压力释放

在低温恒温器真空破裂的情况下，在某些先有技术系统中，冷却器室中的液态冷却剂可能会突然地被加热并爆炸式地扩张。如果没有大的孔口排气端口，所述室中的过压会使冷却器室壁爆裂。在本发明设备中，冷却器布置成使得所述室中的大量过压将使冷却器的位置向上移动，从而释放压力。这可能是通过没有对冷却器管和所述级的约束性固体联接来实现的。更具体地，在冷却器（管30、31和级50、52）与冷却器室22之间没有物理联接，从而冷却器自身能有效地用作压力释放安全装置。

冷却剂分层和虹吸

冷却剂与PTC冷却器之间沿着低温冷却器室22长度的连续热交换冷却并最终冷凝气态冷却剂，优选冷却并冷凝至液相，冷凝的冷却剂汇聚在低温冷却器室的底部区段26中。低温冷却器室22内部的冷却剂的该逐渐的热交换、以及自然热分层可使得制冷冷却剂以不同的温度和相态从柱中被抽取。靠近第一级的气态冷却剂可在大约50K处被虹吸。靠近第二级的气态冷却剂可在4K处在液位上方被虹吸，并且液态冷却剂可通过导管61从所述室底部处的槽被虹吸。值得注意，冷却剂无需变为液态以使系统有效的发挥作用，因为在大约为4K处的气体可执行期望的冷却功能。

在优选实施方式中，50K的冷却剂被从冷却器室22抽取而通过第一级虹吸管57，并通过颈交换器39，该颈交换器围绕样本室21的上颈部区域41布置，并且被用作拦截从室进出端口14向下行进的热量。使用环境温度颈阀40来控制该颈交换器39的冷却功率。无需低温阀。

冷却器室22内部的气态冷却剂的自然热分层也允许用于本发明设备的非常有效的备用模式。由于低温冷却器大量的功耗（5000W至10000W），因此当不使用系统时可将低温冷却器关闭。然而如果允许将该设备加温至接近室温，将需要一天以将设备再次冷却至操作温度。当冷却器关闭，该最冷级被来自冷却器的热凸缘的传导热量非常快地加温。在传统设计中，其通常使用金属热联接连接至冷却器级，关闭的冷却器通过此类热联接快速地加热低温恒温器的剩余部分。然而在本设备中，当冷却器比底部26热时，冷却器室22中的冷却剂的热分层将极大地降低传送至所述室的底部区段26的热量。这是热虹吸特性并且允许冷却器关闭多达一个小时，并同时将室22底部区段26中的液态或气态冷却剂保持在大约4.2K。使冷却器以打开30分钟并关闭一小时的方式循环的程序可使该设备的能耗减少一半以上，并且同时允许在退出该备用模式的一个小时内进行完全的系统操作。

逆流交换器

经由冷却气体虹吸管53从冷却器室的底部区段26抽取的4.2K冷却剂用于冷却样本室21。该冷却剂的流速受逆流热交换器（CFE）43和环境温度CFE流量阀46控制。4.2K的冷却剂流过冷气体虹吸管53进入CFE的加温管43，流过CFE流量阀46，进入CFE的冷却管42，进而进入室气体冷却剂管44，然后流入环绕样本室21的底部的冷却环58。蒸发室35在附图中示出在管44与冷却环58之间，但这是可替换的元件，即，对于所公开实施方式的操作是不必要的元件。通过以此种方式使用CFE，可通过使用可靠的且可购买到的环境温度流量控制阀46来实现对制冷冷却剂流动的完全控制，并且制冷冷却剂的寄生加热很少或没有。通过CFE阀的通常的流速将在大约0至10标准升/分钟之间变化。再一次地，不需要使用低温阀。

在逆流热交换器43中，从虹吸管53行进至第一交换器管中的CFE流量阀46的制冷冷却剂沿着所述第一交换器管的长度被逐渐加温，这种加温通过与从阀46穿过管42返回至冷却剂管44的逆流冷却剂流的连续热交换来实现。由于此两根交换器管沿着它们的长度紧密地热接触，在沿着长度的每个点处，来自第二（冷却）管中的热量被传送至第一（加温）管中的冷却剂。有效的交换器设计确保了暖流和冷却流中的冷却剂的温度在沿着交换器长度的任何点处几乎相同。因此，只有少量的热量通过该阀配置被引入制冷冷却剂，并且可控制该制冷冷却剂在冷却器的第二级的温度（4.2K）处或附近达到完全流速。

随着冷却剂沿低温冷却器室22向下从第一级50移动至第二级52，该冷却剂被冷却至4.2K，在该点处，冷却剂容易在PTC冷却器的第二级冷凝器上冷凝成液态形式。当该系统使用液态冷却剂进行操作时，冷凝的液态冷却剂从第二级冷却级或冷凝器52滴下并汇聚在低温冷却器室的底部区段26中。

随着来自磁体的热量传导通过4.2K板27时，该热流加热汇聚在底部区段26中的液态冷却剂，致使液态冷却剂中的一些蒸发。蒸发的气态冷却剂中的一些随后在第二级冷凝器52上再冷凝，然后滴回至底部。低温冷却器室的底部区段和第二级冷凝器从而形成典型的两相热管。此类型的两相热管在传热方面非常有效。本发明的该实施方式中的热管机构的所说明的使用提供了这样的效果，在热管的大约4.2K的操作温度下有效地将热量从超导磁体传递走，而无需与冷却器的第二级52的固体热接触。在磁体高于其操作温度的情况下，例如，当磁体和低温恒温器自环境温度冷却时，这在几何上用作单相加热管。

该热接触方法的其他优点在于，加热管的两个元件之间的有效热传导独立于PTC冷却器第二级52与冷却器室底部区段26之间的距离，这是两相重力热虹吸管的性质。该高度独立性使得本发明的所述实施方式的系统适用于低温恒温器设备的不同低温冷却器长度和尺寸。

固体热耦接

在本发明公开实施方式的温度调节系统中使用的高磁场超导磁体生成的磁场达约16特斯拉，重量达100kg（220lbs），并且在扫描模式下操作时消耗达大约一瓦特的热量。此高热负载接近于PTC冷却器在4.2K下的冷却容量。如提到的，所述两相热虹吸管用于实现低温冷却器室的底部区段26与冷却器的第二级52之间的热传导。

该示例性实施方式的设计具体地用于实现经由穿过4.2K板27的固体传导路径从超导磁体19至低温冷却器室的底部区段26的热传导，从而提供非常高的热传导联接。需要此高的热传导来在扫描模式（在该时间期间磁体散热）的期间保持磁体冷却以用于适当的操作。热虹吸管和固体联接的该组合完全地避免了冷却器级与低温恒温器组件之间的柔性铜热联接，所述柔性铜热联接通常在传统的系统中使用以提供导热。该结构也消除了由低温恒温器相对于低温冷却器级的不同热收缩而导致的机械应力。由于该热虹吸管适应本公开实施方式中的不同热收缩，因此传导联接不需要具有柔性。该固体联接包含提供固体传导路径的较大的横截面面积与长度的比（A:L）。与使用带有柔性联接的等效热传导（如过去通常使用的）相比，采用使用实心板和杆的具有高的A：L比率的热联接更有效。

此外，本发明的公开实施方式的测量系统配置成使得样本室21的温度较大程度地独立于磁体设备19处可获得的冷却功率。这是因为用于磁体的冷却功率来自于冷却器室22的底部（26）中的液体，所述冷却器室处于其饱和温度，而用于样本室的冷却功率主要来自于使气体冷却剂从冷却器室底部中的液位上方流动。在临界流动速率之下，气体流动速率的变化对液体冷却剂的汇聚的影响非常小。这可使得相互独立地执行温度控制和磁场操作。即，当与样本室和闭环温度控制装置上的加热器结合时，试样的温度变化将不会显著地影响超导磁体的温度。相反地，改变磁体中的磁场也不会显著地影响样本室中的试样的温度。从而，当通过改变磁体线圈中的电流来扫描超导磁体时，来自磁体的明显更高的热负载将不会显著地影响样本室的温度控制。一旦系统在操作状态中，则样本可在短的时间段（少于约60分钟）内在基础温度（小于2K）与环境温度（大约400K）之间或以上的温度加温或冷却，而不会显著地影响磁体或低温冷却器的温度。

快速预冷却

在一个实施方式中，在初始系统冷却期间以及在操作期间，用于磁体的主要冷却机构穿过固体传导性的4.2K板27，所述4.2K板耦接在磁体与室底部区段26中的冷却剂之间。图2中示出的替换实施方式采用这样的方式，将液氮或氦从外部存储杜瓦瓶（未示出）传送入预冷却管54中，所述预冷却管利用热交换器59热耦接至4.2K板27，以用于加速磁体组件初始冷却至例如大约77K的过程。在该情况下，传送管（未示出）手动地连接至预冷却端口55，并且通过存储杜瓦瓶中的压力来保持氮或氦的流动。热交换器中采用的氦可以是氦3同位素。当该系统冷却至大约77K时，传送管断开连接并且密封预冷却端口55以防止结冰。冷却过程的剩余部分仅适用之前说明的冷却器进行。这种余冷却布置减少了低温恒温器操作的启动时间。由于支撑杆18与管54一样地在附近，因此为了简洁在图中没有示出该支撑杆。

系统的启动和浮力对流

参考图1，由于超导磁体19的大的热容量，需要充分使用低温冷却器的每个级以最小化冷却时间。当磁体组件19和室底部26的温度高于大约为50K的第一级50的温度时，低温冷却器室22的敞口、竖直柱允许底部区段26与低温冷却器的两个级（50、52）、以及冷却器的第二级再生器区域49之间的有效浮力对流。当室底部温度低于第一级温度时，浮力对流的高度将降低至低于第一级的水平并且气体在第一级的附近热分层。因此，该冷却器的第一级与下方的冷却器气体热隔离，而与此同时经由浮力对流在室底部26与冷却器的第二级52和第二级再生器区域49之间的热交换继续进行。

当这发生时，第一级与室底部26之间的热联接有效地断开。在系统冷却期间从第一级冷却至第二级冷却的自动交换是冷却器室的敞口、竖直柱设计的特征。该设计高度有效，因为该设计使用可在冷却中的任何给定点处获得的最高温度级来提取热量。在本发明优选实施方式的测量系统中，达到操作温度的系统冷却时间是大约24小时。一旦磁体冷却至大约4.2K的正常操作温度，室底部26和磁体19的连续冷却通过如以上说明的两相虹吸作用而发生。

低温泵组件

关于某些应用，如在样本室21为实验仪器中的环境室的情况下，可能需要将所述室排空至高真空状态（<1mTorr），以执行某种测量或用于制备试验试样。低温泵在本技术领域中公知用于提供出色的真空条件。低温泵通常较贵，因为需要低温以及冷级与环境的热隔离。然而，由于能同时冷却多个制冷部件，本发明的实施方式提供高性能、多级低温泵所需的冷却级和隔热，并且附加花费非常低。该集成式设计还具有其他优点，由于将泵送体积连接至低温泵的管道非常短，从而与远程安装的泵相比增加了泵送率。

此类低温泵组件的实例在图4中示出。环境温度泵送管81将样本室21的上颈区域41连接至低温泵导管82。该低温泵导管穿过顶板13进入低温恒温器的真空空间。该低温泵的第一级冷阱83通过到达50K防护板17的柔性热联接84而保持在第一级的温度处。管88从冷阱83延伸入内壳16并到达第二级冷阱85。吸附泵86和冷阱85通过第二热联接87保持在4.2K板27的温度处。环境温度隔离阀80用于在样本室21中不需要高真空时或者在需要通到所述室的环境空气通道时使低温泵与样本室密封。为了简洁这里未示出支撑杆18。

系统操作

为了将样本室冷却至低于低温冷却器的第二级温度（该温度通常是4.2K），本发明的所说明的系统可替换地使用布置在蒸发室35中的蒸发冷却机构。聚集在底部区段26中的液体冷却剂用作毛细管流阻抗47的来源，所述毛细管流阻抗在大约0至大约1标准升/分钟的范围内流动。该液体冷却剂流以较低的温度进入并聚集在蒸发室35中。该液体然后由于通过泵送系统56在环绕样本室21的冷却环58上的进行泵送而蒸发和冷却。管44中没有冷却剂流的情况下，冷的蒸发冷却剂将样本室冷却至低于大约2K。

本发明所描述的实施方式的测量系统采用样本室的气流冷却，这利用流过样本室21的单流气态冷却剂来进行。通过将不同量的通过室气体冷却剂管44供应的气态冷却剂和通过毛细管阻抗47供应至蒸发室35（当使用该替换结构时）的液态冷却剂混合，该冷却剂流的流速和温度依据冷却需要来变化。通过冷却剂管44的冷却剂以大约4.2K的温度并且以从大约0变化至大约10标准升/分钟的速率来供应。然后，蒸发的冷却剂通常温度低于2K，并且速率通常由毛细管阻抗固定的范围在大约0.2至大约1标准升/分钟之间。混合来自不同源的具有不同温度和冷却容量的冷却剂流允许在样本室21内部实现适当的冷却率和所需的基础温度。当高于4.2K时样本室的快速冷却通过使气体流过环境温度CFE阀46（该阀致引起冷却剂管44中的冷却剂流动）而实现。样本室冷却至低于4.2K通过切断阀46中的流动，使得相对较小的冷却气体流经过样本室21来实现。样本室的加温和在固定温度处的稳定可通过利用附接至室壁的加热器元件（未示出）将热量直接应用至样本室来实现。

在本发明此实施方式中使用的闭环布置的有利之处在于，能够防止被污染的气体利用用于冷却剂入口的单个冷阱而阻塞冷却剂循环回路。冷阱是一种能冻结除冷却剂气体以外的所有蒸汽的装置，并且在气体源和循环泵56的每个入口处都是必要的，以防止低温恒温器中的低温管和毛细管结冰和阻塞。冷阱相对较大并且可能显著增加设计的复杂性，因此有利的是具有尽可能少的冷却剂入口。在本发明的该实施方式中，进入低温恒温器11的冷却剂被限制于用于将环境冷却剂气体输送进入低温恒温器组件内的多个循环回路（39、44、和61）中的单个入端口36、37、34。此外，环境温度凸缘33与冷却器的第一级50之间的冷却室的体积48提供了高容量冷阱的功能。这消除了对独立的专用冷阱组件的需要并且因而极大地简化了该设计。

所有的冷却剂流量控制阀（37、40、46）均示出在外壳12的外部并且在低温恒温器的顶部。值得注意，只有当此类阀处于或接近环境温度时才有用；它们不必在延伸穿过顶部13的管道中。内部耦接这些阀的管的进出口可穿过外壳的侧部以及通过顶部。

虽然以上对本发明的示例性和替换性实施方式进行了详细说明，但应当理解可以存在大量的变型。也应当理解，所说明的实施方式仅是实例，而旨不在以任何方式限制所描述的发明的范围、配置、或实用性。应当理解，在不违背所附权利要求和其法律等同物所阐述的范围的情况下，可对元件的功能和布置进行各种改变。

Claims (53)

1.一种用于调节温度的低温恒温器设备，所述设备包括：

具有至少一个虹吸端口（53、57、61）的低温冷却器室（22）以及具有至少一个降温级（30、31）的低温冷却器（30、31、33、50、52），所述低温冷却器至少部分地位于所述低温冷却器室内。

2.根据权利要求1所述的低温恒温器设备，所述设备包括外壳（12）和至少一个制冷部件（16、17、19、21、22、26、27、29、35、39、43、57、58、72、73、74）。

3.根据权利要求1或2所述的低温恒温器设备，所述设备包括：

在所述低温恒温器（11）内的至少一个制冷部件（16、17、19、21、22、26、27、29、35、39、43、57、58、72、73、74），所述至少一个制冷部件需要利用可变热负载和操作温度来选择性地进行冷却；

所述低温冷却器室具有壁以及至少一个环境温度冷却剂气体入口端口（36），所述壁具有外表面和限定所述低温冷却器室的内部（48）的内表面；

用于将所述低温恒温器设备连接至环境温度冷却剂气体源（36）的装置（34、37）；

主进气管（34），用于将所述冷却剂气体源连接至所述进气口；

至少一个附加虹吸端口（61），其中至少两个虹吸端口（53、57）布置成穿过所述低温冷却器室的所述壁，一个所述虹吸端口（61）布置成从所述低温冷却室（22、26）移除气态或液态形式的制冷冷却剂，所述制冷冷却剂已经通过与所述低温冷却器的所述至少一个降温级进行热交换而自环境温度被冷却；

至少一根冷却剂管（39、44、61），将所述至少两个虹吸端口中的一个连接至所述至少一个制冷部件；以及

至少一根低温恒温器出口管（20、42），从所述至少一个制冷部件延伸至所述低温恒温器的外侧，并且配置为使所述冷却剂在对所述至少一个制冷部件提供冷却之后流出所述低温恒温器。

4.根据权利要求2或从属于权利要求2时的权利要求3所述的低温恒温器设备，其中：

所述低温冷却器室至少部分地位于所述外壳内部，所述低温冷却器室具有底部区段（26）；

第一管（34），从所述低温冷却器室延伸至所述外壳的外侧，所述第一管适于连接至冷却剂源（36）。

5.根据权利要求4所述的低温恒温器设备，所述设备其中：

逆流热交换器（CFE）（43），耦接至所述低温冷却器室的第一虹吸端口（53），所述CFE包括：

第一CFE管（42），从所述低温冷却器室延伸至所述外壳的外侧；

环境CFE阀（46），在所述第一CFE管中并位于所述外壳的外部；以及

第二CFE管（44），连接至所述环境CFE阀并且在所述外壳内侧延伸，所述第二CFE管在所述外壳内至少部分地与所述第一CFE管共同延伸并且环绕所述第一CFE管；以及

在所述外壳内的至少一个制冷部件（21、27、35、58），所述第二CFE管控制制冷冷却剂到所述至少一个制冷部件中的至少一个的流动。

6.根据权利要求4或5所述的低温恒温器设备，所述设备包括：

所述低温恒温器室至少部分地位于所述外壳内，所述低温冷却器室具有至少一个虹吸端口（53、57、61）；

在所述外壳内的至少一个制冷部件；以及

第一冷却剂管，耦接在所述至少两个虹吸端口中的一个虹吸端口与所述至少一个制冷部件中的一个制冷部件之间。

7.根据权利要求4或从属于此权利要求的任何其他权利要求所述的低温恒温器设备，所述设备包括：

在所述外壳内的至少一个制冷部件；以及

中间温度板（17），热耦接在所述至少一个降温级中的一个降温级与所述至少一个制冷部件中的一个制冷部件之间。

8.根据权利要求1至7中任一项所述的低温恒温器设备，其中，所述低温冷却器室具有至少一个导热区域（23、24、26），所述区域布置为在位于所述低温冷却器室外侧的所述至少一个制冷部件（17、27）与位于所述低温冷却器室内侧的交换器表面（30、31）之间提供导热路径，所述交换器表面在所述低温冷却器室中与所述制冷冷却剂热接触。

9.根据权利要求1至8中任一项所述的低温恒温器设备，其中，所述至少一个制冷部件是低温泵组件（80、81、82、83、84、85、86、87、88）。

10.根据权利要求9所述的低温恒温器设备，还包括：

环境温度隔离阀（80）；

第一管（82），从所述隔离阀延伸穿过所述外壳顶部而进入所述外壳的内部；

第一级冷阱（83），位于所述外壳内，所述管连接至所述第一级冷阱；

所述外壳内的第二级冷阱（85）；以及

第二管（88），从所述第一级冷阱延伸至所述第二级冷阱；以及

吸附泵（86），耦接在所述第二级冷阱内。

11.根据前述权利要求中任一项所述的低温恒温器设备，其中，所述至少一个制冷部件是热辐射防护罩（16）。

12.根据前述权利要求中任一项所述的低温恒温器设备，还具有至少一个制冷部件，其中所述至少一个制冷部件是超导磁体组件（19），优选地布置在外壳内。

13.根据前述权利要求中任一项所述的低温恒温器设备，其中，低温板（27）热耦接在所述底部区段与所述磁体组件之间。

14.根据权利要求13所述的低温恒温器设备，还还包括热耦接在所述低温冷却器室的所述底部区段与所述磁体组件之间的导热元件（27）。

15.根据权利要求2所述的或从属于该权利要求的任何其他权利要求所述的低温恒温器设备，还包括具有顶部（13）的所述外壳，所述外壳的顶部的外表面处于环境温度下。

16.根据前述权利要求中任一项所述的低温恒温器设备，其中，所述低温冷却器和所述低温冷却器室基本竖直地定向并且布置成使得上部分比下部分更热，并且其中的冷却剂气体分层为在底部的较冷、密度较大的冷却剂气体以及在顶部的较热、密度较小的冷却剂气体。

17.根据前述权利要求中任一项所述的低温恒温器设备，还包括气体循环泵（56），所述气体循环泵位于所述外壳外部且具有入口端口和出口端口，所述出口端口耦接至所述主进气管道并且所述入口端口耦接至所述至少一根低温恒温器出口管。

18.根据前述权利要求中任一项所述的低温恒温器设备，其中，进入所述低温冷却器室的冷却剂气体被所述低温冷却器冷却，以作为液体冷却剂聚集在所述低温冷却器室的底部。

19.根据前述权利要求中任一项所述的低温恒温器设备，还具有至少两个虹吸端口，其中所述至少两个虹吸端口中的一个布置为将液体冷却剂抽取至所述冷却剂管中。

20.根据前述权利要求中任一项所述的低温恒温器设备，还包括导热元件（27），所述导热元件热耦接在所述低温冷却器室的底部（26）与在所述低温冷却器室外部且在所述低温恒温器内部的所述至少一个制冷部件（19、21、35、58、85、86、87、88）之间。

21.根据前述权利要求中任一项所述的低温恒温器设备，还包括液体冷却剂管（61），所述液体冷却剂管耦接在所述低温冷却器室的底部与所述低温冷却器室外部的所述至少一个制冷部件（19、21、35、58）之间。

22.根据前述权利要求中任一项所述的低温恒温器设备，其中，所述低温冷却器室的底部（26）在内侧上配置有一热交换器表面，该热交换器表面与位于所述低温冷却器室的底部中的液体冷却剂（4.2K）直接接触，所述低温冷却器室的底部是配置为在所述热交换器表面与所述至少一个制冷部件之间提供导热路径的导热区域。

23.根据前述权利要求中任一项所述的低温恒温器设备，其中，所述低温冷却器室的底部（26）在内侧上配置有一热交换器表面，该热交换器表面与所述低温冷却器室的底部处的较冷的、密度较小的冷却剂气体（4.2K）直接接触，所述低温冷却器室的底部是配置为在所述热交换器表面与所述至少一个制冷部件之间提供导热路径的导热区域。

24.根据权利要求23所述的低温恒温器设备，其中，邻近所述热交换器表面的所述低温冷却器室配置为允许所述至少一个降温级与所述热交换器表面（26、49、50、52）之间的主要热交换经由浮力对流实现。

25.根据前述权利要求中任一项所述的低温恒温器设备，还包括：

逆流热交换器（CFE）（43），在第一所述至少一个冷却剂管中；以及

至少一个环境温度流量控制阀（46），在所述外壳的外部连接至所述第一至少一根冷却剂管，所述CFE包括：

加温管（42），所述加温管沿其长度的至少一部分与冷却管（44）热接触，所述加温管具有耦接至所述至少两个虹吸端口中的一个虹吸端口（53）的冷入口和耦接至所述第一流量控制阀的暖出口；

所述冷却管具有耦接至所述流量控制阀的暖入口和耦接至所述至少一个制冷部件（19、21、35、58）的冷出口；

所述CFE配置为控制制冷冷却剂到所述至少一个制冷部件的流动。

26.根据前述权利要求中任一项所述的低温恒温器设备，还包括：流量限制装置（47）；以及

蒸发室（35）；

所述流量限制装置连接于所述低温冷却器室的底部与所述蒸发室之间的一根所述至少一根冷却剂管（61）中，以便以小于所述低温冷却器室的底部压力的压力将液体冷却剂传输至所述蒸发室，以使得所述蒸发室中的温度能够低于所述低温冷却室的底部中的液体冷却剂的温度。

27.根据前述权利要求中任一项所述的低温恒温器设备，还包括所述至少一个制冷部件下游的一根所述至少一根低温恒温器出口管中的环境温度控制阀，所述环境温度控制阀耦接且配置为控制所述至少一个制冷部件上游的制冷冷却剂的流动。

28.根据权利要求26或27所述的低温恒温器设备，其中，提供来自所述蒸发室的蒸发冷却剂以冷却所述至少一个制冷部件（19、21、58）。

29.根据权利要求25至28中任一项所述的低温恒温器设备，其中，所述蒸发室与所述至少一个制冷部件（19、21、58）热连通。

30.根据前述权利要求中任一项所述的低温恒温器设备，其中，所述至少一个制冷部件（21）是用于实验试样的测量或制备的热环境室。

31.根据前述权利要求中任一项所述的低温恒温器设备，还包括：

样本室（21）；以及

第三管（61），将所述低温冷却器室（22）的所述底部区段（26）与所述样本室热耦接。

32.根据前述权利要求中任一项所述的低温恒温器设备，还包括通过第四管耦接至所述低温冷却器室的第二所述虹吸端口（57）的颈式交换器（39），所述颈式交换器热耦接至所述样本室（21）。

33.根据前述权利要求中任一项所述的低温恒温器设备，还包括预冷却装置（54、55、59），所述预冷却装置热耦接至所述磁体组件且适于连接至所述外壳外部的预冷却流体源。

34.根据前述权利要求中任一项所述的低温恒温器设备，还包括：

内壳（16），在所述外壳（12）内；

中间温度板（17），包括所述内壳的顶部；以及

颈环（29），热耦接至所述中间温度板，所述颈环连接至所述低温冷却器室并通过与所述低温冷却器热耦接来冷却。

35.根据前述权利要求中任一项所述的低温恒温器设备，其中，所述低温冷却器具有至少两个冷却级（50、52），其中在所述底部区段（26）处的冷却剂的温度为所述低温冷却器产生的最小温度。

36.根据前述权利要求中任一项所述的低温恒温器设备，还包括：

内壳（16）和外壳（12），所述外壳环绕所述内壳，所述外壳形成有顶板（13），所述顶板的外表面处于室温下；

其中，所述低温冷却器具有环境温度顶部凸缘（33），所述环境温度顶部凸缘位于所述外壳的外部并位于所述顶板的所述外表面上。

37.根据前述权利要求中任一项所述的低温恒温器设备，还包括在所述外壳（12）内的内壳（16），磁体组件（19）位于所述内壳内，所述低温冷却器室（22）至少部分地位于所述内壳内，所述第一管从所述低温冷却器室的在所述内壳内侧的部分延伸，所述低温冷却器室的所述第一虹吸端口位于所述内壳内。

38.根据前述权利要求中任一项所述的低温恒温器设备，其中，所述低温冷却器提供处于大约4.2K的制冷冷却剂给所述底部区段，从而通过所述低温板（27）传导性地提供大约4.2K的温度给所述磁体组件。

39.根据前述权利要求中任一项所述的低温恒温器设备，还包括耦接在所述底部区段与所述磁体组件之间的低温管（61），以提供大约处于4.2K的冷却剂流体给所述磁体组件。

40.根据前述权利要求中任一项所述的低温恒温器设备，其中，所述至少一个降温级包括第一冷却级（50）和第二冷却级（52），所述低温冷却器配置为将逐渐变冷的冷却剂流体从所述第一管提供至所述低温冷却器室的所述底部区段（26）。

41.根据前述权利要求中任一项所述的低温恒温器设备，还包括：

在所述外壳（12）内的内壳（16）；以及

中间温度板（17），热耦接至所述第一冷却级，所述中间温度板包括所述内壳的顶部。

42.根据前述权利要求中任一项所述的低温恒温器设备，还包括：

在所述低温恒温器设备内的至少一个制冷部件（21）；

在所述低温冷却器室（22）中的中间温度虹吸端口（57）；以及

中间温度冷却剂管（39），连接在所述中间温度虹吸端口与一个所述至少一个制冷部件之间。

43.根据前述权利要求中任一项所述的低温恒温器设备，还包括：

在所述外壳内的至少一个制冷部件，所述第二CFE管控制制冷冷却剂到所述至少一个制冷部件中的至少一些制冷部件的流动，

内壳（16），在所述外壳内；

颈环（29），固定至所述低温冷却器室，所述颈环热耦接至所述低温冷却器的所述第一冷却级；以及

中间温度板（17），热耦接至所述颈环，所述中间温度板包括所述内壳的顶部。

44.根据前述权利要求中任一项所述的低温恒温器设备，还包括：

颈式交换器（39），在所述外壳（12）内；以及

第二管（57），从所述至少两个虹吸端口中的一个虹吸端口耦接至所述颈式交换器。

45.根据前述权利要求中任一项所述的低温恒温器设备，其中，至少两个虹吸端口的一个虹吸端口将温度降低的冷却剂从所述底部区段耦接至所述磁体组件。

46.根据前述权利要求中任一项所述的低温恒温器设备，所述设备适用于调节温度。

47.用于调节低温恒温器设备中的温度的方法，所述设备包括：低温冷却器室（22），具有至少一个环境温度气体入口（36）；低温冷却器（30、31、33），具有至少一个降温级（50、52），所述低温冷却器至少部分位于所述低温冷却器室内；制冷容积（48），包括在所述低温冷却器的至少一个降温级与所述低温冷却器室的内壁之间的空间，并且所述气体入口端口穿透至所述空间中；用于连接至环境温度冷却剂气源的装置（34、37）；至少一个气体或液体虹吸端口（53、57、61），位于所述低温冷却器室的壁内；至少一个制冷部件（21），至少部分地位于所述低温恒温器内侧且至少部分地位于所述制冷容积外侧，并且需要冷却；冷却剂管，将每个气体或液体虹吸端口连接至所述至少一个制冷部件（39、44、61）中的一个；至少一根低温恒温器出口管，从所述至少一个制冷部件中的一个延伸至所述低温恒温器外侧并且布置为使冷却剂流出所述低温恒温器；所述方法包括：

使环境温度冷却剂流入所述气体入口端口并进入所述低温冷却器室的制冷容积；

使所述冷却剂气体流过所述制冷容积并从而通过与所述低温冷却器的一个或多个逐渐变冷的降温级进行热交换来冷却所述冷却剂；

通过所述至少一个虹吸端口从所述制冷容积抽取制冷冷却剂；

将所述制冷冷却剂从所述至少一个虹吸端口传送至所述至少一个制冷部件中的一个制冷部件，以冷却该制冷部件；以及

使所述冷却剂经由至少一个低温出口管从所述制冷部件流动至所述低温恒温器的外侧。

48.根据权利要求47所述的方法，其中，所述低温恒温器设备还包括虹吸端口（53、57、61），具体地定位成在所述制冷容积内对处于不同温度的冷却剂流进行采样，所述方法还包括：

通过第一虹吸端口从所述制冷容积抽取所述制冷冷却剂流的一部分，虹吸的冷却剂被冷却至大于所述冷却器的最小降温级的温度；

通过至少一个附加虹吸端口从所述制冷容积抽取所述冷却剂流的另一部分，所述虹吸的冷却剂已被冷却至小于所述第一虹吸端口的温度。

49.根据权利要求47或48所述的方法，其中，所述低温恒温器设备还包括将所述至少一个气体或液体虹吸端口连接至所述至少一个制冷部件的所述冷却剂管中的至少一根冷却剂管，所述至少一根冷却剂管包括逆流换热器（CFE）（43）以及至少一个环境温度流量控制阀（46），所述CFE包括加温管（42），所述加温管沿其长度的一部分与冷却管（44）接触，所述加温管具有连接至所述虹吸端口的冷入口以及连接至第一环境温度流量控制阀的热出口，所述冷却管具有连接至所述至少一个环境温度流量控制阀的热入口以及耦接至所述至少一个制冷组件（19、21、35）的冷出口，其中所述CFE布置为控制所述制冷冷却剂到所述至少一个制冷部件的流动，所述方法包括：

通过以下方式控制所述制冷冷却剂到至少一个制冷部件的流动：

使从所述至少一个虹吸端口中的一个虹吸端口（53）抽取的制冷冷却剂流入所述CFE的冷却入口；

通过与所述CFE中的冷却流的热交换来对冷却剂流逐渐加温，直到所述流被加温至环境温度；

使所述环境温度冷却剂通过所述环境温度流量控制阀；

使用所述环境温度流量控制阀控制所述冷却剂流；以及

通过与所述CFE中的暖流进行热交换来逐渐冷却来自所述环境温度流量控制阀的冷却剂流，直到所述冷却剂流被冷却至基本为所述制冷冷却剂的温度；以及

将所述冷却剂传送至所述至少一个制冷部件。

50.根据权利要求47-49中的一项所述的方法，其中，所述低温恒温器设备还包括：所述虹吸端口中的至少一个虹吸端口（61），该至少一个虹吸端口具体地配置和定位成从所述制冷容积抽取液化冷却剂；以及作为所述冷却剂管的部分的流动限制装置（47），所述流动限制装置耦接至蒸发室（35）以便将液体冷却剂传送至所述蒸发室，所述方法还包括：

充分地冷却所述制冷容积内部的所述制冷冷却剂中的至少一些制冷冷却剂，以便将该至少一些制冷冷却剂冷凝成液体冷却剂；

通过所述流动限制装置从所述低温冷却器室虹吸所述液体冷却剂，并将所述液体冷却剂传送至所述蒸发室；以及

经由连接出口管在所述蒸发室上泵送，以蒸发和冷却所述蒸发室并将蒸发的冷却剂冷却至温度小于所述低温冷却器的最冷的降温级的温度。

51.根据权利要求47-50中的一项所述的方法，其中，所述低温恒温器设备还包括所述低温恒温器出口管中的至少一个低温恒温器出口管，该至少一个低温恒温器出口管在关联的至少一个制冷部件的下游点处耦接至环境温度流量控制阀，所述方法还包括：

通过利用所述环境温度流量控制阀控制排出冷却剂的流动，来控制制冷冷却剂的流动并且从而控制所述关联的至少一个制冷部件可获得的冷却功率。

52.根据权利要求47-51中的一项所述的方法，其中，所述低温恒温器设备还包括所述低温冷却器室的壁中的一个或多个导热区域，每个区域布置为在所述低温冷却器室外侧的所述至少一个制冷部件与位于所述低温冷却器室内侧的交换器表面之间提供热传导，所述方法还包括：

通过与所述制冷容积中的所述制冷冷却剂进行热交换来冷却所述交换器表面；以及

利用通过所述低温冷却器室的壁的传导区的固体传导来冷却所述至少一个制冷部件。

53.根据权利要求47-52中的一项所述的方法，其中，所述低温恒温器设备还包括附接至所述传导区的至少一个加热器，所述传导区与所述冷却器室中的液态冷却剂热连通，所述方法还包括：

控制所述加热器功率以保持最小冷却剂蒸气压力，从而保持所述冷却器室内部的冷却剂压力、以及驱动所述冷却剂循环所需的冷却剂压力。

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