CN106461291B - 制冷系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种用于绝热固态磁热或电热制冷器的制冷片，所述制冷片具有纵向轴线和横向轴线，所述制冷片包括：沿所述纵向轴线被分为第一壳体零件和第二壳体零件的壳体；其中每个所述壳体零件包括在相应的所述壳体零件内的导热金属骨架；并且其中所述壳体内的所述骨架的元件之间的区域包括磁热或电热材料。本发明还提供了一种用于制造制冷片及各种固态制冷系统的方法和相关的装置。

Description

制冷系统

技术领域

本发明涉及用于固态制冷系统的产品、方法和装置，例如采用磁热或电热效应的用于固态制冷系统的产品、方法和装置。

背景技术

通常，低温绝热退磁制冷器(ADR)是用于实现非常低的温度的，例如在使用液氦或无液体冷冻剂的冷却技术进行的初始冷却到1K至4K之后，低于1K，甚至可能低于1mK。一般而言，采用磁热材料，通常是在施加磁场的情况下具有高磁化率和大熵变的顺磁材料。在磁热材料被保持在恒定温度的同时施加场，然后绝热地移除场，可使得磁矩随机化，导致温度降低。磁热材料通常是顺磁盐，例如CMN(硝酸铈镁)。

原则上，固态制冷器可以基于电热材料或热电材料而不基于磁热材料。电热制冷法具有相似的基本冷却原理，其涉及电自由度(而不是磁自由度)和内部电极化的定向。然而，尽管碱金属卤化物(如掺杂有可极化杂质如Li⁺，OH^-和CN^-的KCl)显示了可能性，但是目前用于可操作的装置的合适的电热材料开发得不太好。

基于ADR的技术尤其被用于太空应用(例如J-M Duval等，“A miniaturecontinuous adiabatic de-magnetisation refrigerator with compact shieldedsuper conducting magnets”，in Millimetre and Sub-Millimetre detectors forAstronomy II，Ed J Zmuidzinas等，SPIE Vol 5498pp 802-811)；其它的现有背景技术可以在Paul A Bromiley，PhD thesis，University of London 1999，“Development of anadiabatic de-magnetisation refrigerator for use in space”中找到。

通常，磁热材料设置在冷却“片”内，该冷却“片”通常是金属圆柱体，材料晶体在该金属圆柱体内生长。该圆柱体可以被密封以抑制盐的脱水。在Duval等的冷却片中，盐在黄铜罐中生长，该黄铜罐包含被钎焊(braised)到热总线上的铜线；在Bromiley的论文中，采用了由连接到中心柱的一组散热片组成的热总线。然而，这些设计具有明显的缺点。例如，Bromiley的方法需要由固体开始加工部件，这是非常昂贵的。在两种设计中，盐晶体的生长可能需要几天至几周。此外，短的冷却片寿命和相对差的导热性也是问题。

ADR中的热开关也可以是设计困难之一。US2003/0041600描述了机电热开关，但在实践中使用这样的开关是复杂、昂贵和麻烦的。

其它困难包括密封冷却片以抑制脱水，特别是在真空中和在大的温度变化下。这是有问题的，因为环氧树脂密封件在重复热循环之下容易破裂，而焊接密封件是昂贵的并且难以在不降低制冷剂性能的情况下(通过过度加热)制造。

因此，需要改进绝热固态磁热和电热制冷器的设计。

发明内容

根据本发明的第一方面，提供了一种用于固态磁热或电热制冷器的制冷片，制冷片具有纵向轴线和横向轴线，所述制冷片包括壳体，壳体包含：内部安装结构，内部安装结构沿着所述纵向轴线被分为第一安装部分和第二安装部分；其中每个所述安装部分包括由相应的所述安装部分限定的导热金属骨架；并且其中在所述壳体内的所述骨架的元件之间的区域包括磁热材料或电热材料。

该结构的一些实施例使得生长自溶液的材料结晶的速度能够比常规方法快近一个数量级。

在一些实施例中，制冷片包括沿圆柱体长度分开的两个半圆柱体，因此可以对两个半圆柱体同时进行结晶，此外，晶体沿着垂直于圆柱体轴线的方向(短方向)而不是沿着圆柱轴线方向(长方向)生长。沿着短方向的结晶时间可以比沿着长方向的生长快近一个数量级。另外，该结构有助于监测晶体生长的进展，以确保晶体大体上在优选方向上有系统地生长而没有空隙。除此之外，对于一些材料，例如CMN(硝酸铈镁)，纵向分开的结构能够使晶体垂直于纵向轴线生长。这更好地对准制冷器内的典型磁场方向(沿纵向轴线)。此外，在这种结构中生长的晶体很好地结合到骨架(和壳体，若在壳体中生长)，而不需要其它技术所需使用的胶或类似物。

各种类型的金属骨架可以被采用，并且在晶体(例如顺磁盐)生长期间；壳体的存在是可选的。外壳体可以是两部分的并且存在在晶体生长期间，或者两个安装部分可以在晶体生长之后被组装在单个外壳体内(优选为圆柱壳体)。

在一个实施例中，金属骨架可以包括体积填充金属网或者编织或螺旋布置的线，其在制冷片的任一端附接到热触点(例如通过焊接到螺纹)。在其它实施例中，骨架可以包括在端板之间纵向延伸的一组线，其每一个也都具有热触点。线可以是铜(优选是镀金的以抑制腐蚀)或固体银的。

在一个特别优选的实施例中，骨架包括一组横向金属散热片，例如沿纵向轴线间隔开的半圆盘。在具有两个壳体部分的实施例中，骨架可位于每个壳体部分内，并且优选地与每个壳体部分(例如每个半圆柱体)热接触。

除了促进制冷片内的良好热流动之外，这种布置还有助于加快晶体生长并减少腐蚀。在优选实施例中，金属散热片包括银散热片。

在可选地与上述的骨架组合的另一实施例中，骨架包括在磁热材料内的金属细丝或树枝晶。在一些实施例中，通过提供例如在溶液上漂浮或渗透溶液的悬浮的银粉(材料从所述溶液中结晶或以其它方式沉积)，随着磁热材料结晶时，这些细丝或树枝晶在磁热材料的晶体结构内生长。已经发现，这种结构在改善导热性方面特别有效，其提供一个或两个数量级的导热性的提高。在一些实施例中，为了良好的导热性和耐腐蚀性，细丝或枝晶包含银。但是，也可以使用其它金属。

在使用电热材料的情况下，金属骨架可用于提供与制冷片内的一个或多个电容的高效板/电极的连接。这里“板”以功能意义使用而不意味着任何特定的结构构造，但是尽管如此，包括一组金属散热片或半圆盘的骨架优选具有电热材料。因为这提供了可用于向材料施加电场的有效的多层电容类型的结构。在这种布置中，散热片/圆盘可以被支撑在平行于纵向轴线延伸的一个或多个杆上，并且每个交替的散热片/圆盘彼此电隔离。方便地，一对杆可以用来提供交错的到散热片/板的电连接。在一些实施例中，特别是在电热材料是相对非挥发性的情况下，塑料的壳体就可以满足需要。

如前所述，在一些优选实施例中，磁热/电热材料在每个安装部分内生长为晶体，其生长轴大体上垂直于纵向轴线。这可以通过将每个安装部分搁置在晶体生长槽内来实现，其中纵向轴线大体上水平，从而可选地在底部播种晶体生长。然后，液固界面从每个向上的安装部分的底部向上生长。生长界面可以是垂直于晶体的一个轴。对于一些顺磁盐，场的方向相对于晶体生长的方向可能不太重要，但是对于其它材料，例如CMN(并且特别是用于实现特别低的温度的那些材料)，优选的是，用沿主要部件的纵向轴线的部件以与晶体生长方向成直角的角度施加场。然而，将材料生长为晶体不是生产制冷片的实施例所必需的。在其它方法中，磁热或电热材料可以被简单地压制。

在一些实施例中，两个安装部分可以被密封在外壳体(例如外圆柱体)内，以保护制冷片免于损坏/脱水/分解。对于磁热材料而言，壳体优选地是金属的。但是对于电热材料而言，壳体优选地是绝缘的，例如塑料。在一些实施例中，外壳体或圆柱体可以优选地通过使用O形环(如铟O形环)在制冷片的任一端被密封到凸缘。这避免了与现有技术的配置中发现的焊接接头和环氧树脂相关的问题。

在相关方面，本发明提供了用于固态磁热或电热制冷器的制冷片，特别是绝热磁热或电热制冷器的制冷片，制冷片具有纵向轴线和横向轴线，所述制冷片包括：纵向壳体和一对制冷片端部挡块，一个端部挡块朝向壳体的任一端；其中所述端部挡块承载在它们之间纵向延伸的导热金属骨架；其中所述端部挡块抵靠所述壳体的(周向)壁体被密封；并且其中在所述壳体内的所述骨架的元件之间的区域包括磁热或电热材料。

本领域的技术人员将认识到，本发明的前述方面的特征也适用于此方面，反之亦然。

因此，在一些优选实施例中，制冷片具有包括密封机构的端部挡块或端部帽。密封机构可以包括纵向可移动的密封零件或板及机构，例如螺纹和螺母，以迫使密封零件朝向端部挡块。端部挡块和密封零件限定了邻近壳体的周向壁体内表面的环形区域或凹槽。在该区域内提供密封剂，例如负载铟或蓝宝石的环氧树脂。当密封零件被迫朝向端部挡块时，密封剂被向外推动以形成抵靠壳体的周向壁体内表面的密封。制冷片的安装柱可以提供密封机构的螺纹。

在一些实施例中，金属骨架包括在端部挡块之间纵向延伸的一组线或网。线或网可以由铜或镀金铜制成。

本发明还提供了一种制造用于绝热固态磁热或电热制冷器的制冷片的方法，该方法包括：提供沿所述制冷片的纵向轴线被分为两部分的安装结构，所述安装结构具有金属骨架；在每个所述安装部分的骨架上生长磁热或电热材料的晶体结构；以及组装所述安装部分以制造所述制冷片。

骨架可以是内部骨架和/或外骨骼——例如安装部分可以限定晶体材料在其中生长的槽。

本发明还提供了一种制造用于绝热固态磁热或电热制冷器的制冷片的方法，该方法包括在所述金属骨架周围生长磁热或电热材料的晶体结构；特别是其中所述生长是在所述壳体零件的所述纵向轴线大体水平的情况下进行的。

制冷片(特别是上述的制冷片)可以结合到低温制冷器(如绝热固态磁热或电热制冷器)中。在这种布置中，第一制冷阶段优选地是通过独立的制冷阶段(“低温平台”)冷却的金属板，该独立的制冷阶段采用液氦或无液体冷冻剂系统(例如脉冲管冷却器或Gifford-McMahon冷却器)。第二制冷阶段包括制冷片，并且其经由热开关热连接到第一阶段，使得固态制冷片可以由第一阶段冷却，然后与第一阶段热解耦以用于下一阶段的样品冷却。在一些优选布置中(但不是必需地)，热开关是机械热开关。然而，在提供在低温下可操作的机械热开关方面存在困难，因为其需要适用在相对轻质的结构中同时仍具有低的导通电阻。

根据本发明的另一相关方面，提供了一种制冷系统，其包括：第一制冷阶段，特别是液氦-4制冷器或无液体制冷剂制冷器(例如脉冲管制冷器或Gifford-McMahon制冷器)或与泵送液氦-4 1K冷却系统或氦-3冷却系统组合的无液体冷冻剂冷冻器；第二制冷阶段，包括固态制冷器(SSR)和热开关，特别是机械热开关，所述SSR包括制冷片；所述热开关热耦合所述第一制冷阶段和第二制冷阶段并且被布置成选择性地解耦所述热耦合。在优选实施例中，所述机械热开关包括分别到所述第一制冷阶段和第二制冷阶段的第一金属触点和第二金属触点，以及致动器，该致动器可在第一耦合位置和第二解耦位置之间纵向移动，在所述第一耦合位置，所述热开关提供所述触点之间的热路径，在所述第二解耦位置，所述热路径被解耦；其中所述机械热开关还包括一组的一个或多个可径向移动的臂，以热耦合和解耦所述金属触点，并且其中所述致动器的所述纵向移动提供凸轮作用以径向移动所述一个或多个臂从而操作所述热开关。

第一制冷阶段优选是液氦-4制冷器系统或无液体制冷剂制冷器系统(例如脉冲管制冷器或Gifford-McMahon制冷器)，或者是上述两个系统中的任一个与泵送液氦-4冷却系统组合，或者是可选地与泵送液氦-4冷却系统或氦-3冷却系统组合的无液体制冷剂制冷器系统。

在一些优选实施例中，热开关包括安装在轴环或类似物上的冠状开关部分，所述一组臂周向地设置在所述轴环或类似物周围。位于臂内部或外部的凸轮特征被纵向移动，以向外推动臂，或者在替代的布置中，向内推动臂，以与其中一个金属触点进行热接触。在一些实施例中，致动器安装在螺钉装置上，使得螺钉的旋转纵向移动致动器。这种类型的布置可以在简单的轻质结构的环境内施加非常大的向外(或向内)径向力，例如几百磅的力。因此，这可以实现非常低的热导通电阻并且在断开时提供非常好的热隔离。在一个实施例中，触点中的一个或两个包括镀金金属；在一个实施例中，臂的冠部位于杯内，臂可径向向外移动以接触杯的内表面，这形成用于开关的另一金属(热)触点。

本发明还提供了一种用于制冷系统的可拆卸冷却组件，其包括通过机械热开关连接的如前所述的第一制冷阶段和第二制冷阶段，第二制冷阶段包括样品区域(可以放置待测装置或材料的区域)。在一些实施例中，样品区域邻近热开关，并且第二制冷阶段的制冷片沿远离热开关的方向超出样品区域，第一制冷阶段被连接到热开关。这提供了便于接近样品空间并且具有室温端和温度低于1K的区域的组件，并且在一些实施例中，组件可以是独立的并且可作为组合件从低温平台/制冷系统上拆卸下来(“样品插入物”)。该布置还便于多阶段冷却，例如，第三制冷阶段可以沿纵向轴线位于超过第二制冷阶段处(远离样品区域)，通过另一热开关连接到第二阶段。本领域的技术人员将认识到，在这些布置中，热开关可以是任何合适的类型，包括机械热开关、超导热开关、气体热开关或压电热开关。

在另一相关方面，本发明提供了一种用于在第一阶段和第二阶段之间切换热耦合的机械热开关，其中所述机械热开关包括到所述第一阶段和第二阶段的第一金属触点和第二金属触点(在一些实施例中，第一热源/散热器和第二热源/散热器)以及致动器，其可在第一耦合位置和第二解耦位置之间纵向移动，在所述第一耦合位置，所述热开关提供所述触点之间的热路径，在所述第二解耦位置，所述热路径断开；其中所述机械热开关还包括一组的一个或多个臂，可径向移动以热耦合和解耦所述金属触点，并且其中所述致动器的所述纵向移动提供凸轮作用以径向移动所述一个或多个臂以操作所述热开关。

本发明还提供了一种超导热开关，其包括通过由超导材料(如铅或锡)制成的箔片连接的第一金属热触点和第二金属热触点。当箔片处于其正常的金属状态时，热开关被闭合，可以通过施加足够大的磁场来实现箔片正常的金属状态。当处于超导状态时，热开关打开。

优选地，金属热触点通过通常由塑料材料制成的绝热壳体机械地支撑并且附接到彼此；优选地，铅或锡箔具有小于10ppm的杂质水平。

本发明还提供了一种绝热固态制冷系统，包括：两个固态制冷阶段和控制系统，每个阶段热耦合到相同的样品室，每个阶段包括绝热固态制冷器(ASR)，所述ASR包括制冷片，每个阶段具有相应的可控磁/电场发生器；所述控制系统用于顺序地控制所述磁/电场从每个所述制冷片上移除，以控制所述样品室的冷却。

在绝热退磁制冷器中，控制系统可以控制制冷片的磁场/退磁的移除；在制冷片包含电热材料的情况下，通过减小或移除通过制冷片的电压来将电场从制冷片上移除。

这种系统可以串联操作，以便于达到较低的基温，或并联操作，以提供大体上连续的冷却，或者可以针对任一操作模式进行配置。在任一情况下，将固态制冷阶段物理地与铜杆纵向串联布置从而将每个制冷阶段纵向地连接到样品室实际上是方便的。

在串联配置中，顺序控制被配置为依次用固态制冷的第一阶段和第二阶段来冷却样品室。这可以扩展到进一步的制冷阶段。固态制冷阶段可以经由一个或多个热开关(例如前述机械或特别是前述的超导热开关，或气体或压电热开关)串联地热耦合。

在并联配置中，特别是对于连续样品冷却而言，固态制冷阶段与每个所述样品室经由相应的热开关并联热耦合。该系统还包括第一制冷阶段，例如由液氦-4制冷器或无液体无制冷剂制冷器(例如脉冲管制冷器或Gifford-McMahon制冷器)冷却的金属板，或由上述两种制冷器中的任一种与泵送液氦-4 1K冷却系统或氦-3冷却系统的组合冷却的金属板。然后，每个固态制冷阶段可以经由另外相应的热开关热耦合到第一制冷阶段。之后，控制系统可以被配置成控制热开关和磁/电场(如前所述)，使得所述固态制冷阶段之一冷却样品室的同时另一个固态制冷阶段(被电极化或磁极化并且)被第一制冷阶段冷却，反之亦然。因此，指定第一阶段热开关、第二阶段热开关为“输入”热开关并且指定到样品室的热开关为“输出”热开关，用于第一制冷片的输入热开关被打开时用于第一制冷片的输出开关被关闭，并且同时用于第二制冷片的输入热开关被打开时用于第二制冷片的输出开关被打开。在此间隔期间，场施加到第一制冷片上并从第二制冷片上移除。然后，热开关的开/关配置被反转，并且场被施加到第二制冷片上并从第一制冷片上移除。

在另一方面，本发明提供一种绝热固态制冷系统，其包括两个单独的或连接的阶段(第一低温装置冷却阶段和第二样品冷却阶段)和包括绝热固态制冷器(ASR)的低温装置以及将所述制冷片保持在电场或磁场中的系统；所述ASR包括制冷片，特别是如上所述的制冷片；其中所述第一低温装置冷却阶段包括用于冷却所述低温装置的第一制冷阶段；其中所述第二样品冷却阶段包括所述低温装置，所述低温装置与用于冷却样品的样品平台热耦合；其中当所述低温装置用于冷却所述样品时，所述电场或磁场可从所述制冷片上移除；并且其中所述低温装置穿过边界热耦合到所述样品平台，使得热从所述样品平台径向向外流动。

在一些实施例中，样品可被夹持在可拆卸的真空管内，该真空管限定热量可径向流动通过的边界。在一些实施例中，用于第一冷却阶段和第二冷却阶段的壳体限定包含真空管以及第一冷却阶段和第二冷却阶段的第二真空空间。在一些实施例中，低温装置可以从样品平台纵向移位并且经由导热路径耦合到样品平台。在一些实施例中，至少一个热开关设置在低温装置和第一低温装置冷却阶段之间。

如果制冷片包含电热材料或热电材料的话，那么就会是特别方便的，因为在这种情况下可以简单地根据需要保持/移除制冷片的电场。特别地，在利用螺线管在绝热退磁系统中保持磁场的情况下，这限制沿螺线管的轴线方向物理接近冷却区域，但是制冷系统可以配置有在低温装置(ASR)和样品平台边界之间的热路径。相反，在电场用于促进制冷的情况下，其它方向(例如径向方向)可用于将样品室和低温装置彼此热连接。

因此，在磁热、电热或热电固态冷却器中任一种的情况下，可以提供用于沿水平方向远离样品夹持器低温插入件进行制冷的设施，其中热接触通过边界进行。在一些实施例中，这导致两个冷却阶段在平台上进行，并且样本夹持器仅简单地滑入冷区域并且在需要时安装在样本平台上。然后，可以使热接触从样品平台径向地穿过包含样品空间的真空管到达低温平台的基温板。这种布置可以与多个低温装置(ASR)一起使用，所述多个低温装置(ASR)被连接以串联、并联或串并联操作。因此，每个低温装置(ASR)可以具有输入热开关(将低温装置耦合到第一低温装置冷却阶段)和输出热开关(将低温装置耦合到样品平台)中的一个或两个。

附图说明

现通过示例的方式参考附图来进一步说明本发明的这些和其它方面，其中：

图1示出了根据本发明的第一实施例用于磁性制冷片的多板半圆柱体组件，该制冷片包括两个联结的半圆柱体(仅示出了其中一个)，每个半圆柱体包括一组沿着纵向轴线间隔开的半圆盘；

图2示出了可选的多线半圆柱体组件；

图3示出了晶体生长槽的示意图，该晶体生长槽适用于在图1和图2所示的类型的制冷片的制造方法中；垂直方向限定了晶体生长的方向；磁场可以用部件来在纵向(水平)方向上施加；

图4a和图4b分别示出了密封在外圆柱体内的完整构造的固态制冷片和沿着圆柱体的轴线穿过端盖的截面，其用于示出优选的密封方法；

图5示出了在图4a所示的类型的制冷片内的固态磁热材料的微观区域；

图6a和图6b示出了基于单个圆柱体的两个替代的制冷片设计(a)和(b)的部件，其分别为结合了包括金属丝网的金属骨架的磁性制冷片和结合了包括一组纵向线的金属骨架的磁性制冷片；

图7示出了图1所示的通用类型的制冷片的内部骨架的区域，该类型的制冷片适于与电热材料而不适于与磁热材料一起使用，并且包括交替电绝缘的相邻的半圆盘的布置；

图8a和图8b示出了根据本发明的实施例的用于固态绝热制冷器的机械热开关，在图8a中示出了机械热开关的横截面，在图8b中示出了开关机构的零件的三维视图；

图9示出了超导热开关的示意图，其可用于本发明的实施例中；

图10示出了绝热固态制冷系统的样品夹持部分的下部的示意图，在所示示例中，该绝热固态制冷系统包括用于串联冷却的两个固态制冷阶段；

图11示出了绝热固态制冷系统的示意图，其包括用于并联、连续冷却的两个固态制冷阶段；以及

图12示出了绝热固态制冷系统的示意图，其具有移动远离样品平台的进行制冷的设施，其中热接触通过边界进行。

具体实施方式

一般而言，在一些实施例中，制冷片的每个半骨架包括以下部件，其全部是镀金的高纯度OFHC铜：i)沿着半圆柱的长度延伸的矩形横截面的中心支撑杆，ii)三个穿孔的半圆盘，在靠近杆的端部和中心的位置被钎焊到支撑杆上，iii)大约100x 0.4mm的线，其穿过并且钎焊到穿孔的半圆盘中的等间隔的孔上。由带有螺纹接头的凸缘构成的端部件被钎焊到两个骨架(由超长的支撑杆制成)中的一个的两端上。

在更对称的替代设计中，该两个骨架是相同的，其中具有螺纹接头的单个凸缘仅被钎焊到每个骨架的一端，以使得接头与外部密封管的轴线同心。

在上述过程的替代方案中，矩形的中心支撑杆由两个螺纹杆和第三个螺纹杆代替，其中该两个螺纹杆穿过靠近半圆盘的两个角的孔，该第三个螺纹杆与前面两个螺纹杆等距离间隔并且穿过靠近半圆盘的边缘的孔。该方案的优点包括：i)提供半圆盘的精确对准；ii)允许使用螺母将板锁定在适当位置以及在正确的高度上，从而避免钎焊的需要；iii)还允许通过使用上述的铜螺母连接到具有螺纹接头的端部凸缘上，并且因此再次避免了钎焊的需要；以及iv)该过程可以容易地适应，并且只需要小的变化(仅仅通过增加所使用的半圆盘的数量、消除线组件并且用绝缘陶瓷螺母和垫圈替换每隔一个的铜螺母)以使用电热而不是磁热效应来制备多层电容制冷片(这是关注的焦点)。

两个凸缘每个位于一端，用于安装由玻璃纤维、不锈钢、黄铜或磷青铜制成的外部薄壁体密封管。两个螺纹端中的一个用于将制冷片连接到待冷却的物体上，另一个用于包括多于一个冷却阶段的应用中或者用于将制冷片连接到绝热定心环上。在组装后，对每个半骨架都整体进行镀金。

半圆盘布置的一些优点如下：i)提供半圆盘的精确对准；ii)允许使用螺母将板锁定在适当的位置和在正确的高度上，从而避免钎焊或焊接的需要；iii)还允许通过使用上述的铜螺母连接到具有螺纹接头的端部双凸缘上，并且因此再次避免了对钎焊或焊接的需要；以及iv)该过程可以容易地适应，并且只需要小的变化(仅用绝缘陶瓷螺母和垫圈替换每隔一个的铜螺母)以使用电热而不是磁热效应制备制冷片。

两个半骨架被放置在晶体生长槽中，并且晶体同时在两个半骨架中从包含溶质的溶液中生长出来。晶体随着溶质的浓度增加而生长，其中溶质浓度的增加是通过溶剂(通常为水)的蒸发或通过溶液温度的降低、或通过这两种方法的组合来实现的。在新的过程中，晶体通常可以在一天中完成生长(如果使用目前的方法的话，需要数周)。以这种方式生长的晶体也沿着理想的结晶定向自然对准，以获得最佳的磁致冷，这特别在特殊晶体(例如CMN)的情况下是必要的。

两个半圆柱体的表面被调平以准备组装成单个圆柱体，其中在单个圆柱体中，支撑杆在靠近端部处通过螺钉被夹紧在一起。与目前的做法相反，用于保护制冷片免于损坏和脱水的外圆柱体可以通过使用铟O形环而不是环氧树脂或焊接接头来密封。铟O型环提供良好的密封，廉价且易于使用，具有低除气作用和蒸气压，可以重复地进行热循环而不产生故障，消除由于过热而损坏制冷剂的风险(比照：在高温下环氧树脂的固化或焊接技术的使用)，并且允许制冷片的快速组装和拆卸。后者允许非破坏性地接近制冷片的核心(结晶盐和支撑骨架)，以允许组件的部件的循环使用。

现在参考图1，其示出了用作制造固态制冷片的部件的两个半圆柱骨架中的一个。图1所示的零件包括板101和杆102。板和杆均由镀金的高导性无氧铜或固体银制成。金或银用于避免固态制冷材料对热传输路径的腐蚀。杆可以被钎焊到板上或者可选地形成有螺纹以允许板在任何镀金之前通过利用螺母被固定在杆上，在上述两种情况中的任一种下，可实现机械稳定性和优良的热接触。板和杆形成热路径，该热路径可在整个半圆柱体内有效地传导热量。

图2示出了包括线102、支撑杆202、端板203和导向板204的替代半圆柱体设计。所有部件201,202,203和204都由镀金的无氧高导性铜或固体银制成。杆202被钎焊或用螺母连接到部件203和204上。线201被钎焊或焊接到部件203和204上。板、线和杆形成热路径，该热路径可在整个半圆柱体内有效地传导热量。

图3示出了在固态制冷晶体从液体溶液中生长时与图1和图2所示的组件一同使用的塑料晶体生长槽。在这种情况下，如图1和图2所示的半圆柱体组件被放置到晶体生长槽中，并且溶液(固态制冷化合物作为溶质)被注入到槽中。在该方案中，晶体能够垂直于圆柱体的轴线生长，并且晶体生长得比在封闭管中沿着圆柱体轴线方向的晶体生长更快。在固态制冷材料不是从溶液中生长的情况下，粉末材料可以被压制或胶合到如图1所示的金属板上。

一旦固态制冷材料已经通过从液体溶液的晶体生长或通过压制粉末而落到如图1和图2所示的骨架上，那么两个半圆柱体就被放在一起，用螺纹端盖附接并封装进如图4a所示的外圆柱体中。图4a中标记为402的外圆柱体由薄壁体磷青铜、不锈钢、黄铜或玻璃纤维制成。标记为401的螺纹端盖由镀金的高导性无氧铜制成。螺纹端盖中的一个或两个可用于将制冷片附接到待冷却的物体上，或者用于将制冷片附接到其它零件上(如有必要)。图4b示出了特定密封机构，其用于确保制冷片的化学成分被气密密封在制冷片内部并用于在300K和低温温度之间的重复热循环过程中保持完整性。杆406(与图1和图2中标记为102,202的杆相同)穿过端盖401和密封板403上的间隙孔。螺母405被旋拧到每个螺杆上，并用于抵靠端盖紧固密封板，挤压铟丝404，使得铟丝404在压缩下流入任何间隙中并抵靠外圆柱体402，从而形成真空紧密密封。标记为407的区域然后可以被填充有环氧树脂以提供额外的密封和进一步的机械稳定性。环氧树脂被选择为具有与用于制造端盖的金属匹配的热膨胀。固态制冷材料被气密密封在制冷片内部，以避免在暴露于外部环境时可能引致的降解。该密封过程然后在制冷片的另一端重复进行。

图5示出了如图4a所示的制冷片内部的固态磁热材料的微观区域。在晶体为从溶液生长的情况下，在晶体生长过程之前和/或期间，银颗粒501与固态材料503混合。在粉末状固态致冷材料的情况下，在压制到如图1部件101的那些板之前，银颗粒与粉末混合。在上述两种情况中的任一种下，银颗粒形成类似树枝晶的路径并且辅助在完整的制冷片内部的热传递，从而更有效的冷却待冷冻的物体。

图6示出了基于单个圆柱体的两种替代的制冷片设计(a)和(b)的部件。在图6a中，铜网601被卷成螺旋形并且在每一端被焊接到螺纹端件602上。然后，优选地，整个组件被镀金。磁热制冷材料从溶液中直接生长到金属丝网上。然后，将端盖603与外圆柱体一起装配，以气密密封制冷片的成分，进而得到如图4a所示的成品制冷片。在图6b中采用了类似的设计，但是使用了镀金的高导性无氧铜线或实心银线604，其也被焊接到螺纹端件605上。然后，磁热材料直接生长到线上并被气密密封在外圆柱体内，进而得到如图4a所示的制冷片。

图7示出了类似于图1所示的制冷片的内部骨架的区域，但适于与电热材料而不适于与磁热材料一起使用。螺杆701,702和703以及板704优选地由镀金的高导性无氧铜或固体银制成。支撑杆703通过塑料间隔件与每个板电绝缘并且用螺母附接以将每个板固定在适当位置。用电线将外部电压电源连接到杆上可以改变在杆701和702之间的电位差，其中电线在制冷片的端部附接到杆上。如图所示，杆701和702通过使用塑料间隔件705与交错布置中每隔一个的板电隔离并用螺母固定。在每隔一个板上，使用如图所示的螺母，杆701和702被电连接和热连接到板上。这允许在每隔一个板上的电压相同，并且在每个板之间保持电位差。利用这种多层电容的几何结构，可以在板之间保持大的电场，并且一旦通过使用与前述磁热制冷片相同的方法电热材料已经从溶液中生长到板上或者以粉末形式被压制或粘合到板上，大的电场就可以用于促进电热制冷。

图8示出了机械热开关。在图8a中示出了机械热开关的横截面，并且在图8b中示出了开关机构的关键零件的三维视图。使用包括零件803,804,805和806的机构，两个板801和802可以被热连接或断开。不论热开关是打开还是关闭，低导热杆807都用来支撑板。镀金的高导性无氧铜杯803被热锚定到下板802上。使用连接到螺纹机构806的锥形不锈钢杆805，镀金的金属弹簧指804可沿径向(水平)方向延伸或缩回，其中螺纹机构806用于手动地或利用电动机沿垂直方向升高和降低锥形杆。弹簧指804任何时候都被热锚定到顶板801上。通过升高锥形杆，弹簧指径向向外延伸并且可抵靠杯803被压缩，从而热连接板801和802。通过降低锥形杆，弹簧指径向向内缩回并且从杯803脱离，从而使板801和802热断开。

图9示出了超导热开关。通过在低于材料的超导转变温度的任何温度下使用超导材料904(例如高纯度的铅或锡)，由低导热杆903支撑的两个板901和902可以热连接或断开。条带904的每一端被焊接到无氧高导性铜平台905，该平台905被热锚定到板901和902上。当处于超导状态时，条带904具有非常低的导热率，并因此板901和902大体上彼此热断开。通过施加足够大的磁场，条带904可以被转变为其正常(非超导)的金属状态，其具有高导热率，并因此将板901和902热连接。

根据本发明的一个实施例的制冷片可以用于绝热制冷系统中。

更具体地，图10示出了具有用于串联冷却的两个阶段的示例性绝热固态制冷系统，示出了用于在真空下使用固态制冷片将样品冷却至毫开氏(milli-Kelvin)温度的低温插入件的内部真空室的下部的示意图。实线表示热导体，虚线表示热绝缘体。通过使用包含相同或不同固态制冷材料并且以串联构造布置的两个或更多个固态制冷片，与使用单个制冷片的情况相比，可以实现更低的总体基温。使用串联的两个制冷片的示例，制冷过程可以如下进行。最初，如图所示的两个热开关都闭合，并且两个制冷片和样品板都被冷却到热浴的温度(通常通过在此不考虑的外部制冷装置保持在恒定温度的4K或1K板)。通过使用螺线管，两个制冷片被磁化，并且系统的每个部分的温度被允许平衡回到1K/4K板的温度。然后打开热开关1，并且通过足够慢地向下扫过施加到制冷片1的磁场，使得制冷片1被绝热地退磁。然后，制冷片1和2及样品板到达第一冷却阶段温度。此时，热开关2打开，制冷片2被绝热地退磁。结果，样品板和任何附接的样品从第一阶段温度被冷却到第二阶段温度。使用该方法已经可以实现1mK的温度。在活性固态制冷材料是电热材料而不是热磁材料的情况下，使用制冷片内部结构的多层电容的几何结构来施加电场而不是施加磁场。

继续参考图10，本领域的技术人员将理解，在简单的制冷系统中，仅需要使用单个固态制冷片。如果与下文参考图12描述的系统一起使用，那么样品夹持器和制冷片组合可以替代该图(在以下说明)中所示的固态制冷装置。在这样的布置中，图10的样品夹持器可以被封闭在真空罐中，并且这进而可以被安装在图12的真空管内。优选地，部件被布置成使得夹持器的1K-4K板及图12系统中所示的那些板在大体相同的水平上对准(或者如果不是的话，例如通过真空管壁体上的垂直金属热导体或导电涂层热连接)。通过这种布置，可以使得通过真空罐壁体具有足够的横向热传导以实现有效的冷却。

图11示出了用于在真空下使用固态制冷片将样品冷却至毫开氏温度的低温插入件的内部真空室的下部的示意图。实线表示热导体，虚线表示热绝缘体。通过采用以所示的并联构造布置的多于一个的固态制冷片，样品可以被连续地冷却。通过使用如图所示两个并联的制冷片的示例，连续制冷循环可以如下进行。最初，所有热开关都闭合，并且通常通过外部制冷装置(本文不考虑)保持在恒定温度的4K或1K板，两个制冷片和样品板被冷却至热浴的温度。通过使用螺线管，两个制冷片被磁化，并且系统的每个部分的温度被允许平衡回到1K/4K板的温度。然后，热开关1a和2b打开并且热开关1b关闭，制冷片1被绝热地退磁，并且因此样品板和任何附接的样品由于磁热效应而被冷却。接下来，打开热开关1b，关闭热开关1a，打开热开关2a并关闭热开关2b。然后，制冷片2被退磁，同时制冷片1在相同的时间段内被磁化。一旦完成，所有热开关的位置被反转，然后使制冷片1退磁和使制冷片2磁化。该过程可以连续循环以连续冷却样品板和任何样品，使其通常在毫开氏温度范围内维持低于1K/4K板的温度。在活性固态制冷材料是电热材料而不是磁热材料的情况下，使用制冷片内部结构的多层电容的几何结构来施加电场而不是磁场。

低温平台

在一些实施例中，低温平台用于产生样品插入件和固态制冷装置的初始冷却。通常，初始冷却是到1K至4K范围内的温度，例如使用液体冷冻剂(如液氦-4)或无液体冷冻剂系统(如脉冲管冷却器或Gifford-McMahon冷却器)。如图10和图11所示的样品插入件具有附接并密封在真空管内的一个或多个制冷片，该样品插入件可以被降低到低温平台中用于初始冷却。然后，通过操作固态制冷装置和热开关来进行随后至更低温度的冷却。在可替代的布置中，固态制冷阶段可以结合到低温平台本身中，如图12所示，其中样品平台与位于低温平台上的固态制冷器热接触。

图12示出了简化的低温平台的横截面的示意图。在一些实施例中，这样的平台允许被测试的样品或装置的温度在室温和低毫开氏温度范围之间连续变化。在特定实施例中，其它参数，例如样本磁场、电场或压力，可以和温度一样变化。低温平台包括金属杜瓦瓶，其内部被泵空并保持高真空。杜瓦瓶的内部包含金属安装平台、制冷板、热辐射屏蔽、用于样品存取的真空管、一个或多个固态制冷装置(SSR)、一个或多个热开关和样品平台。当运行时，低温(1K-4K)板由内置在低温平台(未示出)中的无液体冷冻剂系统(如脉冲管冷却器或Gifford-McMahon冷却器)冷却。固态制冷装置(SSR)可以由磁热材料制成，在这种情况下，其可以包括如图1至图6中的任一图所说明的制冷片，加上封装螺线管，以将磁场施加到制冷片。或者，它可以由热电或电热材料制成；在后一种情况下，它可以包括由参考图7所描述的多层电容制成的制冷片。热开关可以是机械的(如图8所示)，超导的(如图9所示)，压电的，或是基于氦气的。热辐射屏蔽件优选地被安装以辅助热隔离样品空间和SSR。

在操作中，在热开关被关闭的情况下，一个或多个固态制冷装置以及基温板和样品平台被冷却到(1K-4K)板的温度。安装在的样品夹持器(如圆盘(未示出))上的样品可以被降低到低温平台的真空管中并使用可拆卸的插入杆附接到样品平台。然后，配有辐射挡板的插入件可以可选地被放置在真空管内并在顶部凸缘上密封，以辅助防止样品被热辐射加热。然后，一个或多个SSR装置可以与热开关一起操作，以将低于低温(1K-4K)板温度的样品冷却到通常在低毫开氏范围内的温度。

在一个特别简单的操作模式中，低温平台装配有单个SSR，然后可以与安装在SSR和低温(1K-4K)板之间的单个热开关一起使用。在这种情况下，使用磁热SSR的示例，磁热材料被磁化，SSR和样品平台被留下以平衡在低温(1K-4K)板的温度。然后，打开热开关，并且SSR被绝热地退磁，导致样品板冷却到低毫开氏范围内的温度。

在一些更先进的实施例中，一个或多个SSR可以以串联或并联的模式使用，以分别允许更低的基温或连续冷却。图12示出了取决于用户需求可基于以串联或并联模式操作的两个SSR的示例。

毫无疑问，本领域的技术人员将想到许多其它有效的替代方案。应当理解，本发明不限于所描述的实施例。本发明包括在权利要求的精神和范围内、对本领域的技术人员显而易见的修改。

Claims (23)

1.一种用于固态磁热或电热制冷器的制冷片，所述制冷片具有纵向轴线和横向轴线，所述制冷片包括：

纵向延伸的壳体和成对布置的制冷片端部挡块，所述制冷片端部挡块中的一个朝向所述壳体的任一纵向端；

其中，所述制冷片端部挡块承载金属骨架，所述金属骨架为导热的，并且所述金属骨架在所述制冷片端部挡块之间纵向延伸；

其中，所述制冷片端部挡块抵靠所述壳体的壁体密封；并且

其中，所述壳体内的所述金属骨架的元件之间的区域包括磁热或电热材料，

其中，所述制冷片端部挡块中的一个包括密封机构，所述密封机构包括可纵向移动的密封零件及迫使可纵向移动的所述密封零件朝向所述制冷片端部挡块中的所述一个的机构，其中所述制冷片端部挡块中的所述一个和所述密封零件限定了与所述壳体的所述壁体的内表面邻近的环形区域，所述环形区域包括密封剂，以使得当所述密封零件被迫朝向所述制冷片端部挡块时，所述密封件被向外推动以形成抵靠所述壳体的所述壁体的所述内表面的密封。

2.根据权利要求1所述的制冷片，其中，所述金属骨架包括在所述制冷片端部挡块之间纵向延伸的一组杆或线或网。

3.根据权利要求1所述的制冷片，其中，所述金属骨架还包括在所述磁热或电热材料内的金属细丝或树枝晶。

4.根据权利要求3所述的制冷片，其中，所述金属细丝或树枝晶包含银。

5.根据权利要求1至4中任一项所述的制冷片，其中，所述金属骨架的元件之间的所述区域大体上填充有所述磁热或电热材料，并且所述磁热或电热材料直接结合到所述金属骨架上。

6.根据权利要求1至4中任一项所述的制冷片，其中，所述磁热或电热材料在所述金属骨架上生长为晶体，其中生长的轴线大体上垂直于所述纵向轴线。

7.根据权利要求1-4中任一项所述的制冷片，其中，在所述金属骨架的元件之间的所述区域大体上填充有所述磁热或电热材料，并且所述磁热或电热材料直接结合到所述金属骨架上，并且所述磁热或电热材料在所述金属骨架上生长为晶体，所述生长的轴线大体上垂直于所述纵向轴线。

8.根据权利要求1至4中任一项所述的制冷片，其中，所述固态磁热或电热制冷器是绝热退磁制冷器，并且其中所述磁热或电热材料是磁热材料。

9.根据权利要求1至4中任一项所述的制冷片，其中，所述磁热或电热材料是电热材料；并且所述金属骨架包括沿所述纵向轴线间隔开的一组横向金属散热片；并且其中所述横向金属散热片中的成对相邻的所述横向金属散热片彼此电隔离以形成多层电容的几何结构。

10.一种绝热固态制冷器，包括根据权利要求1-9中任意一项所述的制冷片。

11.一种制冷系统，包括：

第一制冷阶段；

第二制冷阶段，其包括固态制冷器，所述固态制冷器包括根据权利要求1至9中任一项所述的制冷片；以及

机械热开关，其使得所述第一制冷阶段和第二制冷阶段热耦合并且被布置成选择性地解耦和耦合所述热耦合；

其中所述机械热开关包括分别到所述第一制冷阶段和第二制冷阶段的第一金属触点和第二金属触点，及可在第一耦合位置和第二解耦位置之间纵向移动的致动器，在所述第一耦合位置，所述机械热开关提供所述触点之间的热路径，在所述第二解耦位置，所述热路径被断开；

其中所述机械热开关还包括一组的一个或多个臂，所述一个或多个臂可径向移动以热耦合和解耦所述第一金属触点和所述第二金属触点，并且其中所述致动器的所述纵向移动提供凸轮作用以径向移动所述一个或多个臂从而操作所述机械热开关。

12.根据权利要求11所述的制冷系统，包括冠状开关部分，所述冠状开关部分具有支架，所述一组的一个或多个臂沿周向设置在所述支架上；其中所述致动器沿所述开关部分的对称轴线移动。

13.根据权利要求11所述的制冷系统，其中所述第二制冷阶段包括样品区域，其中所述第一制冷阶段和第二制冷阶段沿纵向轴线设置在所述样品区域的任一侧，并且其中所述机械热开关纵向地位于所述样品区域和所述第一制冷阶段之间。

14.根据权利要求11至13中任意一项所述的制冷系统，还包括第三制冷阶段，其包括固态制冷器和耦合在所述第二制冷阶段和第三制冷阶段之间的第二机械热开关。

15.根据权利要求14所述的制冷系统，其中所述第二制冷阶段包括样品区域，其中所述第一制冷阶段和第二制冷阶段沿纵向轴线设置在所述样品区域的任一侧，并且其中所述机械热开关纵向地位于所述样品区域和所述第一制冷阶段之间，并且其中所述第三制冷阶段位于所述纵向轴线上，并在沿远离所述样品区域的方向上超出所述第二制冷阶段。

16.一种绝热固态制冷系统，包括：

两个固态制冷阶段，每个所述固态制冷阶段被热耦合到相同的样品室，每个固态制冷阶段包括绝热固态制冷器，所述绝热固态制冷器包括根据权利要求1至9中任一项所述的制冷片，每个所述固态制冷阶段具有相应的可控磁场/电场发生器；以及

控制系统，所述控制系统改变施加到每个所述制冷片的所述磁场/电场，以控制所述样品室的冷却。

17.根据权利要求16所述的绝热固态制冷系统，其中，两个所述固态制冷阶段被串联地热耦合，并且顺序控制被配置为依次利用第一固态制冷阶段和第二固态制冷阶段冷却所述样品室。

18.根据权利要求16所述的用于连续样品冷却的绝热固态制冷系统，其中，所述固态制冷阶段通过相应的热开关被并联热耦合到所述样品室，所述系统还包括第一制冷阶段，并且其中每个所述固态制冷阶段经由相应的热开关热耦合到所述第一制冷阶段，并且其中所述控制系统被配置为控制所述热开关和所述磁场/电场，以使得两个所述固态制冷阶段冷却所述样品室的同时另一个固态制冷阶段由所述第一制冷阶段冷却，反之亦然。

19.一种绝热固态制冷系统，包括两个单独的或相连的阶段，

低温装置冷却阶段，和

样品冷却阶段；以及

低温装置，其包括绝热固态制冷器，所述绝热固态制冷器包括根据权利要求1至9中任一项所述的制冷片，以及用于改变施加到所述制冷片的电场或磁场的系统；

其中，所述低温装置冷却阶段包括用于冷却所述低温装置的第一制冷阶段；

其中，所述样品冷却阶段包括与用于冷却样品的样品平台热耦合的所述低温装置；

其中，当所述低温装置用于冷却所述样品时，所述电场或磁场可从所述制冷片上移除；并且

其中，所述低温装置通过边界热耦合到所述样品平台，以使得热从所述样品平台径向向外流动。

20.根据权利要求19所述的绝热固态制冷系统，其中，所述样品被夹持在限定所述边界的真空管内。

21.根据权利要求20所述的绝热固态制冷系统，还包括用于所述低温装置冷却阶段和所述样品冷却阶段的壳体，所述壳体限定了用于容纳所述真空管以及所述低温装置冷却阶段和所述样品冷却阶段的第二真空空间。

22.根据权利要求19或20所述的绝热固态制冷系统，其中所述低温装置从所述样品平台纵向移位并通过导热路径耦合到所述样品平台。

23.根据权利要求19或20所述的绝热固态制冷系统，还包括在所述低温装置和所述低温装置冷却阶段之间的至少一个热开关。

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