CN1130250A - 极低温冷却被冷却物体的极低温冷却装置 - Google Patents

极低温冷却被冷却物体的极低温冷却装置 Download PDF

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Abstract

一种极低温冷却装置，除常规的真空容器和至少一台冷冻机外，还具有热开关。该热开关包括：装在冷冻机高温端冷却段上的至少一个高温端传热构件；装在冷冻机低温端冷却段上，与高温端传热构件保持微小间隔、相对配置的至少一个低温端传热构件；内部充填在上述高温端传热构件和低温端传热构件之间传热的气体，并密封住上述高、低温端传热构件的密封容器。不用致冷剂，能将超导线圈等被冷却物从常温高效地冷却到极低温。

Description

极低温冷却被冷却物体的极低温冷却装置
本发明涉及在极低温度下冷却以超导磁铁等为代表的被冷却物体的极低温冷却装置。
在采用超导线圈的超导磁铁装置中，作为将超导线圈冷却到超导转变温度以下的手段，历来使用液体氦等致冷剂直接浸泡法或以备有冷冻机的极低温装置进行冷却的方法等。
图1表示以往的极低温冷却装置的组成。
此极低温冷却装置包括真空电容器2，设于真空容器2内、使中心轴附近产生所需磁场的超导线圈1，以及冷却该超导线圈1的冷冻机4。冷冻机4配备驱动部4a、高温端缸体9、高温端冷却段7、低温端缸体6、低温端冷却段5和传热板3。
超导线圈1由冷冻机4的低温端冷却段3通过传热板3固定在真空容器2的中央部附近，利用此冷却段5冷却到4K左右。
低温端冷却段5隔着冷冻机4的低温端缸体6对高温端冷却段7保持规定间隔安装。真空电容器2的内侧设置热屏蔽和隔热用的热防护板8，而且板8中包着多层隔热材料。
此热防护板8由冷冻机4的高温端冷却段7冷却到规定温度。高温端冷却段7通过高温端缸体9接到冷冻机4的驱动部4a。
超导线圈1和热防护板8的外围，分别配置对这两部分预冷用的氮预冷管10与之接触。
下面说明采用上述结构的极低温冷却装置的超导磁铁装置的冷却方法。
首先，由冷冻机4的低温侧冷却段5冷却超导磁铁装置的超导线圈1。此时，冷冻机4的低温侧冷却段5冷却能力小，为了将超导线圈1高效地从常温冷却到极低温，通常同时使用液态氮致冷剂。即超导线圈1由流过氮预冷管10的液氮从常温冷却到液氮温度77K左右后，再单独用冷冻机4的低温端冷却段5冷却到极低温4K。
热防护板8又由冷冻机4的高温端冷却段7从常温冷却到规定温度，削弱常温对超导线圈1的热辐射量。
超导线圈1和热防护板8达到规定温度后，由导线供给电流，使超导线圈1产生所需磁场。
氮预冷管10中注入的液氮仅用于热防护板8和超导线管1预冷时，在超导磁铁稳定运转时抽着真空，因而超导线圈1的超导状态仅用冷冻机4的冷却维持。
上述结构的极低温冷却装置的超导线圈1的冷却方法中，每次冷却的预冷都需要液氮等致冷剂，因而在产生一次磁场的时间较短和需要频繁产生磁场等情况下，磁铁装置操作麻烦。
此外，在仅用冷冻机4使超导线圈1从常温冷却时，冷却能力小，因而存在需要的冷却时间长的问题。
本发明是鉴于上述实情而作的，其目的在于提供具有在冷却超导线圈等所代表的被冷却物时，不用致冷剂能从常温高效冷却到极低温的热开关的极低温冷却装置。
根据本发明的第1方面，具有收容被冷却物的真空容器、至少一台、高温端冷却段和低温端冷却段隔着低温端缸体相互保持规定间隔安装，并对上述被冷却物进行冷却的冷冻机的极低温冷却装置，其特征在于增加包括装在上述冷冻机高温端冷却段上的至少一个高温端传热构件，装在上述冷冻机低温端冷却段上、且与上述高温端传热构件保持微小间隔地相对配置的至少一个低温侧传热构件，以及内部充填在上述高温端传热构件和低温端传热构件之间进行传热的气体、并封存上述高温端传热构件和上述低温端传热构件的密封容器构成的热开关。
因此，根据本发明的极低温冷却装置，借助于各传热构件间隙中所充填的气体的热传导，热开关导通。气体到达沸点，进而达到凝固点时，气体固化，各传热构件之间只存在辐射的微小传热，结果，而热开关阻断，因而可仅用极低温冷却装置的冷冻机对被冷却物进行冷却。
图1为以往的极低温冷却装置的结构示意图。
图2为涉及本发明第一实施例的极低温冷却装置的结构示意图。
图3为本发明第1实施例的热开关结构示意图。
图4为热开关的热阻与温度关系示意图。
图5为涉及本发明第2实施例的极低温冷却装置的结构示意图。
图6为高温端传热构件与低温端传热构件之间设置防触件31的热开关的结构示意图。
图7为圆筒状热开关中辐射状配置板状传热构件时的配置结构说明图。
图8为方筒状热开关中辐射状配置板状传热构件时的配置结构说明图。
图9A为方筒状热开关中并行配置板状传热构件时的结构斜视图。
图9B为方筒状热开关中并行配置板状传热构件时的配置结构说明图。
图10A为方筒状热开关中并行配置梳形传热构件时的结构斜视图。
图10B为方筒状热开关中并行配置梳形传热构件时的配置结构说明图。
图11A为圆筒状热开关中同轴配置梳形传热构件时的结构斜视图。
图11B为圆筒状热开关中并行配置梳形传热构件时的配置结构说明图。
图12A为方筒状热开关中并行配置棒状传热构件时的结构斜视图。
图12B为方筒状热开关中并行配置棒状传热构件时的配置结构说明图。
图13A为圆筒状热开关中同轴配置棒状传热构件时的结构斜视图。
图13B为圆筒状热开关中同轴配置棒状传热构件时的配置结构说明图。
图14A为圆筒状热开关中配置螺旋形传热构件时的结构斜视图。
图14B为圆筒状热开关中配置螺旋形传热构件时的配置结构说明图。
下面参考附图说明本发明的极低温冷却装置。
第一实施例
图2表示本发明第1实施例极低温冷却装置的结构，与图1相同的部分标注同一符号进行说明。
如图2所示，本实施例的极低温冷却装置的特点是，冷却超导线圈1的冷却机4的低温端冷却段5和冷却热防护板8的高温端冷却段7之间设置热开关20。
图3表示与冷冻机4的低温端缸体6同轴设置的热开关20的详细结构。如该图所示，冷却机4的高温端冷却段7上装有端板21，而端板22以低温端缸体6为中心，安装在低温端冷却段5上。
端板21的朝着端板22的表面上，以低温端缸体6为中心，大致垂直地装在圆筒体23。端板22的朝着端板21的表面上，大致垂直地装有直径不同的多个圆筒体23。此圆筒体23的表面由研磨面组成，以减小高温端冷却段7上所装圆筒体23对低温端冷却段5上所装圆筒体的热辐射。
低温端冷却段5和高温端冷却段7上所装各圆筒体23互相保持微小间隔相对配置。排列这些圆筒体23的空间以内壁24和外壁23包围，构成保持气密的密封容器26。
于是，热开关成为由同轴薄圆筒体组成的密封容器，该密封容器的内壁24和外壁25装在冷冻机4的高温端冷却段7和低温端冷却段5上。
因此，高温端冷却段7比低温端冷却段5温度低时，需要防止从高温端冷却段7向低温端冷却段5的热侵入。针对这个问题，热开关的内壁24和外壁25必须采用热传导率低的材料，并尽可能拉开高温端冷却段7与低温端冷却段5的热传导距离。
本实施例中热开关的内壁24和外壁25，其材料采用不锈钢或钛，而且做成厚1mm左右的薄皱纹结构，以获得高温端冷却段7与低温端冷却段5的热传导距离。
密封容器26中充填氮等气体27。端板21和22、圆筒体23均采用无氧铜等热传导率高的金属板，因而高温端冷却段7上所装端板21和圆筒体23与高温端冷却段7温度大致相同。低温端冷却段5上所装端板22和圆筒体23与低温端冷却段5也温度大致相同。
下面说明采用上述结构极低温冷却装置的超导磁铁装置的冷却方法。
由冷冻机4开始冷却超导线圈1时，首先是与高冷冻机能力的高温端冷却段7接触的热防护板8开始冷却。然后，高温端冷却段7上所装的热开关的圆筒体23的温度降低下去。
另一方面，与冷冻能力低的低温端冷却段5接触的超导线圈1，其温度仍保持常温不变。因此，冷冻机4的高温端冷却段7上所装的热开关20中的圆筒体23为低温，冷却机4内低温端冷却段5上所装的热开关20的圆筒体23变成比高温端冷却段7上所装的圆筒体23温度高的状态。
在这种温度状态下，热量通过气体从低温端冷却段5的圆筒体23向高温端冷却段7的圆筒体23移动。这种通过气体的传热，使填充的气体液化，进而继续固化，直到变成固态。
下面说明这种通过气体的传热。
高温端冷却段7上所装的圆筒体23的温度下降，降至与填充气体的沸点温度相同时，气体开始液化。这里，达到沸点之前的传热主要是通过气体的热传导。
气体液化一开始，就发生以液滴为媒介的传热。即液化气体的液滴落到低温端冷却段5上安装的端板22上，由于低温冷却段5的温度(比高温端冷却段7温度高)而蒸发后，又变成气体状态。
液化气体蒸发时，从低温端冷却段5的高温圆筒体23夺取热量作为潜热。
蒸发后的气体又由高温端冷却段7上安装的低温圆筒23再度液化，将热量提供给低温端冷却段5上安装的圆筒体23。
这样，以液化气体液滴为媒介、从低温端冷却段5的圆筒体23向高温端冷却段7的圆筒体23的热量转移持续进行到填充气体变成固体。这里，达到凝固点之前的热量转移主要是由反复进行气体液化和蒸发而得到的、以液滴为媒介的传热支配的。
以密封容器26中填充的气体27为媒介的热量转移先使高温端冷却段7上安装的圆筒体23的温度达到与其沸点相同的温度，进而温度下降到三态点，然后变成与凝固点相同的温度，在气体27从气态变为液态，进而变为固态时终止传热。
气体27为气态时，高温端冷却段7和低温端冷却段5处于通过冷却段间设置的热开关内的气体27相互热连接的状态，即处于“导通”状态。
在气体固化的时刻，冷却段间存在的气体消失，成为真空状态，所以高温端冷却段7和低温端冷却段5之间处于热断路状态，即处于“阻断”状态。
然后，热防护板8由高温冷却段7冷却，超导线圈1仅由低温端冷却段5冷却到规定的温度。
设热传导时温度分别为高温t1、低温t2，在相距Δx的物体A和B之间移动的热量为Q，则从A移动到B的热量Q可用下式表示
Q＝λ·S·(t1－t2)/Δx  (1)式中S为放热面积，λ为热传导率。
用于本实施例时，低温端冷却段5所接圆筒体23的温度为t1，高温端冷却段7所接圆筒体23的温度为t2，相邻圆筒体23的距离为Δx，圆筒体的面积为S，气体的热传导率为λ。
这里，设K＝Δx/(λ·S)     (2)
        (K为热阻)则式(1)变成：
Q＝(t1－t2)/K           (3)
由式(3)可知，K越小，转移的热量Q越多，K越大，转移的热量Q越少。
图4表示采用氮气时的热开关热阻与温度的关系。如该图所示，从常温(300K)到氮的沸点(70K左右)，热阻渐渐变大，热的转移小了下来。到70K左右时，氮气的热传导起支配作用。在70K附近，热阻急剧减小。这是因为热开关开始作为热导管起作用，亦即由于产生以液氮为媒介的热量转移的缘故。
开关的温度再低时，液体开始渐渐冻结，所以热导管的作用减小，热阻急剧增大。在液化气完全冻结时，开关处于“切断”状态。
为了使冷冻机4的低温端冷却段5更快冷却，由式(2)可知，相邻热开关的圆筒体23之间最好尽可能贴近。由于制造上的缘故，图2所示实施例的热开关，其圆筒体相互间隔约1毫米。
此外，图3中所示的距离C取足够的间隔，以免气体液化、进而固化时，在其下方积存的固化气体把圆筒体23之间加以连接、传递热量的情况发生。
下面讲述关系到此热传导率的气体的选定。
热开关切断状态的温度，即从低温端冷却段5的圆筒体23到高温端冷却段7的圆筒体23的热量转移结束的温度，可用气体27的沸点温度加以调整。也就是说，由选定的气体决定在多高的温度使热开关阻断。
            表1
    沸点(K)    三态点(K)
 n—H2NeNCOArCH4NOCF4O3CClF3     20.2827.1077.3481.6787.26111.67121.4145.2161.3191.7     13.8124.5563.1468.0983.8290.67109.586.480.592.0
 CH3ClCH3Br     248.9276.7     175.4179.5
表1列出在常温以下具有沸点的主要气体及其沸点和三态点。
冷冻机4的低温端冷却段5比高温端冷却段7温度低，但冷却能力小。因此，为了高效迅速地对超导线圈1进行冷却，需要用高温端冷却段7的冷冻能力辅助，直到低温端冷却段5的温度变得尽可能低。即，最好是在尽可能低的温度下热开关才变成阻断状态。
根据表1，填充气体采用n-H2的话，用高温端冷却段7可辅助低温端冷却段5冷却到20K左右。在20K以下热开关变为阻断状态以后，超导线圈1只靠低温端冷却段5冷却到4K。
这里，n-H2(中性氢：normal hydrogen)为75％的o-H2(正氢)与25％p-H2(仲氢)的混合物。
本实施例的极低温冷却装置的充填气体采用预冷中通常爱用的氮气，其原因在于价格低且处理方便。采用此氮气时，如图4中所示，在50K左右热开关为阻断状态，在低于50K的温度，只用冷冻机4的低温端冷却段5的冷冻能力可将超导线圈1冷却到4K。
因此，可提供具有热开关的极低温冷却装置，在冷却超导线圈1时，不用液体氮等致冷剂预冷，只用冷冻机4就能高效冷却。
此外，热开关20和冷冻机4设置成一体，可谋求极低温冷却装置的小型化。
第2实施例
图5表示本发明第2实施例极低温冷却装置的结构。如该图所示，本实施例的极低温冷却装置中，在冷冻机4的高温端冷却段7和低温端冷却段5之间设置3个热开关20。
本实施例中，还采用具有不同沸点和三态点的2种以上气体代替由一种气体高效冷却超导线圈1，把通过液滴进行传热的温度范围扩大，又在尽可能低的温度下驱动热开关。
只要选好具有不同沸点和三态点的2种以上气体，就能扩宽以液化气体液滴为媒介进行传热的温度范围。
本实施例中，对3个热开关中分别填充互不相同的1种气体(例如O3、CO、Ne)时的热量转移进行说明。
在高温端冷却段7所安装的圆筒体的温度为O3的沸点温度161.3K时，从高温端冷却段7通过液滴进行的传热开始。
这种热量转移持续进行到温度为O3的三态点80.5K左右。O3的热导管作用的传热结束时，填充CO的热开关的热导管作用的传热开始，而后，填充Ne的热开关的热导管作用的传热开始。
这样，本实施例中，使用三种气体，冷冻机4和高温端冷却段7和低温端冷却段5之间通过液滴进行传热的温度范围可从161K左右扩展到26K左右。
实施例3
图6为高温端传热构件和低温端传热构件之间设置防触件31的热开关结构示意图。
如该图所示，此防触件31装在各传热构件前端附近，其前端象针那样尖。防触件31的前端这样尖如针，是为了在该端部接触传热构件时，防止通过防触件31进行热传导。
因此，构成防触件31的材料采用热传导率低的材料，如不锈钢或钛。
采取上述结构的极低温冷却装置，超导线圈骤冷时，传热构件表面产生涡流，该传热构件被超导线圈拉住，因而传热构件之间不会相互接触，骤冷后还可作为热开关使用。
本发明当然不限于上述实施例。
例如，本实施例做成冷冻机4与热开关同轴装入，但冷冻机4和热开关分别设置也没关系。即只要在与冷冻机4各冷却段接触之处设置热开关，就能得到与上述实施例同样的效果。
上述实施例中，对圆筒状热开关进行了说明，但热开关也可以为方筒状。传热构件也不限于筒状、薄板状、棒状、方筒状、梳形、螺旋形均可。
图7说明在圆筒状热开关中辐射状配置板状传热构件时的配置结构。图8说明方筒状热开关中辐射状配置板状传热构件时的配置结构。
图9A为方筒状热开关中并行配置板状传热构件时的结构斜视图。图9B说明方筒状热开关中并行配置板状传热构件时的配置结构。
图10A为方筒状热开关中并行配置梳形传热构件时的结构斜视图。图10B说明方筒状热开关中并行配置梳形传热构件时的配置结构。
图11A为圆筒状热开关中并行配置梳形传热构件时的结构斜视图。图11B说明圆筒状热开关中并行配置梳形传热构件时的配置结构。
图12A为方筒状热开关中并行配置棒状传热构件时的结构斜视图。图12B说明方筒状热开关中并行配置棒状传热构件时的结构配置。
图13A为圆筒状热开关中同轴配置棒状传热构件时的结构斜视图。图13B说明圆筒状热开关中同轴配置棒状传热构件时的结构配置。
图14A为圆筒状热开关中配置螺旋形传热构件时的结构斜视图。图14B说明圆筒状热开关中配置螺旋形传热构件时的配置结构。
上述第3实施例中所述的防触件31在热开关由并行排列的薄平板构成时最有效，但传热构件为其他形状时当然也可用。
被冷却物体也不限于超导线圈1，需要极低温冷却的物体均可适用。
再者，上述实施例中，说明了多个热开关充填互不相同的一种气体的情况，但也可一个热开关充填多种气体。
因此，采用上述极低温冷却装置，借助于气体的热传导，热开关导通，而且在气体达到沸点，进而到达凝固点时，气体固化，热开关阻断，所以被冷却物体的冷却可不用致冷剂，而只用极低温冷装置的冷冻机对被冷却物体进行冷却。
此外，传热体表面经过研磨，因而可减小传热体相互之间的热辐射。
用热传导率低的材料组成密封容器的侧壁而且成皱纹状，以此可在高温端冷却段和低温端冷却段之间获热传导距离，能防止热量从高温端冷却段侵入低温端冷却段。
又，将热开关设置成与冷冻机低温端缸体同轴，以此可谋求极低温冷却装置小型化。
各热开关分别填充不同种类的气体，可扩宽冷却机高温端冷却段和低温端冷却段之间进行传热的温度范围。

Claims (16)

1.一种极低温冷却装置，具有收容被冷却物体的真空容器，以及至少一台高温端冷却段和低温端冷却段隔着低温端缸体、相互保持规定间隔安装的、对上述被冷却物体进行冷却的冷冻机，其特征在于增加热开关，所述热开关包括：装在上述冷冻机高温端冷却段上的至少一个高温端传热构件，装在上述冷冻机低温端冷却段上、且与上述高温端传热构件保持微小间隔相对配置的至少一个低温端传热构件，内部充填在上述高温端传热构件和上述低温端传热构件之间进行传热的气体、并封存上述高温传热构件和低温传热构件的密封容器。
2.根据权利要求1所述的极低温冷却装置，其特征在于，上述高温端传热构件和低温端传热构件的形状为筒状。
3.根据权利要求2所述的极低温冷却装置，其特征在于，所述高温端传热构件的直径和所述低温端传热构件的直径互不相同。
4.根据权利要求1所述的极低温冷却装置，其特征在于，所述高温端传热构件和低温端传热构件的形状为板状。
5.根据权利要求4所述的极低温冷却装置，其特征在于，所述高温端传热构件和低温端传热构件配置成大致相互平行。
6.根据权利要求5所述的极低温冷却装置，其特征在于，所述高温端传热构件和低温端传热构件配置成辐射状。
7.根据权利要求1所述的极低温冷却装置，其特征在于，上述高温端传热构件和低温端传热构件的表面经过研磨。
8.根据权利要求1所述的极低温冷却装置，其特征在于，所述密封容器的侧壁由热传导率低的材料构成，而且呈皱纹状。
9.根据权利要求1所述的极低温冷却装置，其特征在于，所述热开关配置成与上述冷冻机的低温端缸体同轴。
10.根据权利要求1所述的极低温冷却装置，其特征在于，具有多个上述热开关，而且所述各热开关充填互不相同的一种气体。
11.根据权利要求1所述的极低温冷却装置，其特征在于，所述高温端传热构件和低温端传热构件的形状为螺旋形。
12.根据权利要求1所述的极低温冷却装置，其特征在于，上述高温端传热构件和低温端传热构件上设置防止上述高温传热构件和上述低温端传热构件接触用的防触件。
13.根据权利要求12所述的极低温冷却装置，其特征在于，形成上述防触件的材料为钛。
14.根据权利要求12所述的极低温冷却装置，其特征在于，形成所述防触件的材料为不锈钢。
15.根据权利要求1所述的极低温冷却装置，其特征在于，所述高温端传热构件和低温端传热构件的形状为梳形。
16.根据权利要求1所述的极低温冷却装置，其特征在于，上述高温端传热构件和低温端传热构件的形状为棒状。
CN95119021A 1994-10-28 1995-10-30 极低温冷却被冷却物体的极低温冷却装置 Expired - Fee Related CN1083563C (zh)

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