CN114484928A - 一种小型稀释制冷机 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种小型稀释制冷机，包括预冷模块、稀释模块以及热连接部件，所述热连接部件的一端与所述预冷模块连接，另一端与所述稀释模块连接；所述预冷模块包括绝热去磁制冷机；所述稀释模块包括冷凝泵、换热器、混合室以及蒸馏器，所述冷凝泵通过所述热连接部件与所述绝热去磁制冷机连接，并通过管路连接于所述蒸馏器；所述换热器包括第一管路通道和第二管路通道，所述冷凝泵通过所述第一管路通道连接于所述混合室，所述蒸馏器通过所述第二管路通道连接于所述混合室，本发明利用所述绝热去磁制冷机预冷，能够实现低温下³He在所述小型稀释制冷机的内部循环，而且无需设置外界气体处理系统和加热吸附装置，整体结构简单，制冷温度稳定。

Description

一种小型稀释制冷机

技术领域

本发明涉及极低温领域，尤其涉及一种小型稀释制冷机，所述小型稀释制冷机采用绝热去磁制冷机预冷。

背景技术

极低温温区是指温度低于1K的低温环境，在极低温下可进行基础物理研究，也可为空间探测和量子计算提供极端的低温环境。极低温环境可有效提高探测器的量程和分辨率，削弱热噪声，提高信噪比。极低温所观测的远红外、亚毫米属于较长波长范围，光子能量更低，对能量的分辨率要求更高。

极低温制冷技术可提供1K以下的低温环境，类型主要包括吸附式制冷、绝热去磁制冷和稀释制冷等。

吸附式制冷利用蒸发制冷的原理，利用工质的饱和温度与饱和蒸气压的对应关系，不同温度下吸附剂对吸附质(工质)的吸附率不同，通过周期性加热冷却吸附剂来实现制冷。当吸附剂冷却时，能够吸附在蒸发室蒸发的氦气，产生制冷效果；当吸附到一定程度，加热吸附剂，吸附剂中的气体脱附，流经冷凝器液化重新回到蒸发室中。通常受到可达到的真空度的限制，⁴He的制冷温度最低可到700mK，³He的制冷温度最低可到230mK。目前，单级吸附制冷机只能完成单次循环，无法实现连续循环。通过采取两台多级吸附制冷机实现300mK的连续制冷。

绝热去磁制冷利用磁热材料的磁热效应实现制冷，是一种固态制冷技术。磁热效应，是指磁性材料在磁场增强或减弱时，由于磁矩的有序度(即熵)发生变化，从而表现出的一种放热或吸热现象。单级绝热去磁制冷机由顺磁盐、超导磁体和热开关组成。在整个热力循环中，只有等温去磁过程能为负荷提供稳定的温度和一定的冷量，单级绝热去磁制冷机难以实现连续制冷。受到最大磁场和寄生漏热的限制，单级绝热去磁制冷机的温比有限。

传统的稀释制冷机由³He循环泵、4K预冷换热器、1K预冷换热器、蒸馏器、主阻抗、蒸馏器换热器、第二阻抗、低温换热器、混合室组成。循环泵将³He气体加压，由前级预冷制冷机预冷至4K，然后与1K冷盘换热冷却至1.2K。随后³He气体进入主阻抗中，经过减压液化，温度降低，但此时温度仍高于蒸馏器的温度，流体进入蒸馏器换热器中温度降低至0.7K。从换热器中出来的流体进入第二阻抗后温度降低，并且已经全部液化。流体流经低温换热器后进入混合室，在混合室中实现制冷。从混合室出来的稀相液体，流经低温换热器，对进入混合室的液体进行冷却。稀相液体在压力的驱动下，进入蒸馏器。对蒸馏器中的液体加热，因³He的饱和蒸汽压高于⁴He，³He更易蒸发。控制加热量使得蒸发的³He占总蒸发气体的99％。蒸发后的³He进入室温泵，加压后泵入到制冷系统中，完成循环。

普鲁威提出了一种小型稀释制冷机系统，包括混合室、换热器、蒸馏器和冷凝泵组成。³He吸附制冷机的蒸发室与稀释模块的冷凝泵相连，在360mK提供500μW的制冷量。该制冷系统无振动部件，结构紧凑，最低温度能达到50mK。因单个³He吸附制冷机不能连续制冷，小型稀释制冷机也不能连续工作，只能在一定时间内提供冷量。此外，吸附制冷机需要对吸附剂进行周期加热和冷却，吸附剂的加热温度可至45K，冷却时需通过热开关连接至4K冷盘，将热量传递给4K冷盘，导致4K冷盘温度升高。这时，混合室的温度会出现一定程度的波动。该过程增加了系统的温度不稳定性，会对探测器的探测产生不利影响。

麦惠仕提出了一种小型稀释制冷机系统，由混合室、蒸馏器和吸附泵组成。稀释制冷机包括两级吸附制冷机提供预冷。一次性向稀释制冷机中充入一定量的³He－⁴He混合物，工作时，在混合室中³He原子从浓相进入稀相，随后稀相在压力的作用下流入蒸馏器。从蒸馏器蒸发的气体被吸附剂吸附。当混合室中的³He耗尽，该循环结束。此时打开稀释制冷机中吸附泵与2K冷盘的热开关，冷却吸附泵，³He脱附，冷却后重新进入混合室，下一个循环开始。为了加快混合室的冷却，将混合室通过重力双管热开关与³He吸附制冷机的冷盘相连。若混合室的温度高于500mK，靠近混合室的气体密度小，靠近500mK冷盘的部分气体密度大，在双管中形成气体对流。当混合室的温度低于500mK时，气体对流被抑制，双管起到隔热作用。但此时由于500mK冷盘温度较高，混合室中的超流氦会沿双管向上爬升，在顶部蒸发后又重新液化流回混合室。该过程会增加稀释制冷机的漏热，使得混合室无法达到预期温度。此外，在单次循环中，因混合室中的³He不断消耗，从浓相进入稀相的摩尔流量随时间发生变化，因而混合室的温度处在动态变化中，大大增加了系统温度的不稳定性。稀释制冷机中没有换热器，不能充分利用从混合室流出的稀相的冷量。稀释制冷机中的吸附泵需周期性加热冷却，增加了系统的漏热和不稳定性。

梅等人提出了一种连续制冷的小型稀释制冷机，由混合室、换热器、蒸馏器和冷凝泵组成。该制冷机具有两个冷凝泵，每个冷凝泵由一组吸附制冷机提供300mK的制冷温度。当一个冷凝泵对应的吸附制冷机制冷时，另一个冷凝泵对应的吸附制冷机循环，从蒸馏器蒸发的气体流入一个冷凝泵并且在此液化，液化后流经换热器进入混合室。当一个吸附制冷机循环时，另一个冷凝泵实现液化作用，如此实现连续制冷。该结构采用了两个蒸馏器和两个冷凝泵，结构复杂。该系统中采用了两套吸附制冷机，需要通过控制吸附泵的加热和冷却实现时序控制，控制过程较复杂。

目前，稀释制冷机需要外界的气体处理系统、机械泵和外部连接，耗功较大，机械不稳定性和振动使得其应用范围受到影响。同时，现有的稀释制冷机的预冷采用吸附式制冷，该制冷方式存在系统的制冷温度不稳定性、实现连续预冷的机构复杂的问题。

发明内容

本发明解决的技术问题是：

本发明提供一种小型稀释制冷机，该小型稀释制冷机利用多级绝热去磁制冷系统进行预冷，无需设置外界气体处理系统、室温泵以及加热吸附装置，能够实现低温下的³He的内部循环，制冷机整体结构和控制过程简单，制冷温度稳定，解决了现有技术中制冷系统温度不稳定、连续预冷机构复杂的问题。

本发明解决其技术问题采取的技术方案是：

一种小型稀释制冷机，包括预冷模块、稀释模块以及热连接部件，所述热连接部件的两端分别连接于所述预冷模块和所述稀释模块；所述预冷模块采用绝热去磁制冷机；所述稀释模块包括冷凝泵、换热器、混合室以及蒸馏器；所述冷凝泵通过所述热连接部件与所述绝热去磁制冷机连接；所述冷凝泵具有上下两个端口，所述换热器包括第一管路通道和第二管路通道，所述蒸馏器具有上下两个端口；所述冷凝泵的上端口通过管路连接于所述蒸馏器的上端口，所述冷凝泵的下端口连接于所述换热器的所述第一管路通道的一端；所述换热器的所述第一管路通道的另一端连接于所述混合室；所述换热器的所述第二管路通道的两端分别连接于所述蒸馏器的下端口和所述混合室。

在本发明的一实施例中，所述绝热去磁制冷机包括0.3K冷盘、4K冷盘以及连接于所述0.3K冷盘和所述二级冷盘之间的多级绝热去磁制冷系统，所述绝热去磁制冷机通过所述0.3K冷盘连接于所述热连接部件；所述多级绝热去磁制冷系统由多个单级绝热去磁制冷模块和多个热开关组成，相邻两个所述单级绝热去磁制冷模块通过一个所述热开关相互连接，所述单级绝热去磁制冷模块包括磁热模块和设置在所述磁热模块外部的超导磁体。

在本发明的一实施例中，所述多级绝热去磁制冷系统包括至少三个所述单级绝热去磁制冷模块和至少三个所述热开关，即所述多级绝热去磁制冷系统至少为三级绝热去磁制冷系统。

在本发明的一实施例中，所述多级绝热去磁制冷系统为三级绝热去磁系统，包括第一级绝热去磁制冷模块、第二级绝热去磁制冷模块、第三级绝热去磁制冷模块、第一级热开关、第二级热开关以及第三级热开关；所述第一级绝热去磁制冷模块包括第一级超导磁体和第一级磁热模块；所述第二级绝热去磁制冷模块包括第二级超导磁体和第二级磁热模块；所述第三级绝热去磁制冷模块包括第三级超导磁体和第三级磁热模块；所述第一级绝热去磁制冷模块的一端连接于所述0.3K冷盘，且所述第一绝热去磁制冷模块的另一端和所述第二级绝热去磁制冷模块通过所述第一级热开关相互连接，所述第二级绝热去磁制冷模块和所述第三级绝热去磁制冷模块通过所述第二级热开关相互连接，所述第三级绝热去磁制冷模块和所述二级冷盘通过所述第三热开关相互连接。

在本发明的一实施例中，所述第一级磁热模块为恒温级，工作温度为0.3K；所述第二级磁热模块的工作温度范围为0.9K－0.25K；所述第三级磁热模块的工作温度范围为4K－0.9K。

在本发明的一实施例中，所述换热器为连续式换热器或分步式换热器。

在本发明的一实施例中，所述连续换热器采用管套管结构，所述连续式换热器的第一管路通道设置在所述连续式换热器第二管路通道的内部；所述连续式换热器的第一管路通道为螺旋状结构，所述连续式换热器的第二管路通道为直线型结构；或者所述连续式换热器的第一管路通道相对于所述连续式换热器的第二管路通道为螺旋状，所述连续式换热器的第二管路通道为螺旋状。

在本发明的一实施例中，所述连续式换热器的第一管路通道和所述连续式换热器的第二管路通道的组成材料为CuNi。

在本发明的一实施例中，所述分步式换热器包括多个铜块、第一管路通道以及第二管路通道；所述第一管路通道和所述第二管路通道内设置有烧结金属粉末；且所述第一管路通道内设置有³He液体，所述第二管路通道内设置有³He－⁴He混合液体，所述分步式换热器的第一管路通道中的³He液体与第二管路通道中的³He－⁴He混合液体能够进行换热。

在本发明的一实施例中，所述冷凝泵的底部为锥形结构。

在本发明的一实施例中，所述磁热模块由单晶钆镓榴石材料制成；或者所述磁热模块包括金属线骨架和附着在所述金属线骨架上的顺磁盐晶体。

本发明的有益效果是：

一是小型稀释制冷机中的稀释模块未采用任何运动部件，无需室温循环泵，制冷机的振动主要来源于预冷模块的振动，整个制冷机振动较小，有较高的可靠性，对探测器影响较小。

二是采用连续制冷的绝热去磁制冷机为小型稀释制冷机预冷，小型稀释制冷机部分可实现内部连续循环，可实现连续制冷。

三是稀释模块中的换热器采用分步式换热器时可获得更低温度。

四是吸附泵在循环再生时的加热温度较高，本发明无需使用吸附泵，不存在冷却吸附泵时的温度波动问题。

五是小型稀释制冷机中的绝热去磁制冷机温度控制较简单，可通过调节磁场电流直接控温，且温度稳定性较好。

六是小型稀释制冷机可实现连续循环，振动小，可靠性高，温度稳定性好，且易于控温。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

图1为根据本发明的一优选实施例中的所述小型稀释制冷机的第一种结构示意图。

图2为根据本发明的上述优选实施例中的所述小型稀释制冷机的第二种结构示意图。

图3为根据本发明的上述优选实施例中的所述小型稀释制冷机的连续式换热器的管路通道的结构示意图。

1－绝热去磁制冷机；2－0.3K冷盘；3－4K冷盘；4－第一级超导磁体；5－第一级磁热模块；6－第一级热开关；7－第二级超导磁体；8－第二级磁热模块；9－第二级热开关；10－第三级超导磁体；11－第三级磁热模块；12－第三级热开关；13－热连接部件；14－冷凝泵；15－换热器；16－混合室；17－蒸馏器；18－第一管路通道；19－第二管路通道；20－铜块。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细描述，实施例不能在此一一赘述，但本发明的实施方式并不因此限定以下实施例。

为实现更低温度、更大冷量和连续制冷，本发明采用多级绝热去磁制冷系统。在多级绝热去磁制冷系统中，每级在一定范围的温区内工作，降低了单级所需要的磁场；较高的温度级绝热去磁制冷系统充当低温级的热沉，能有效降低系统的寄生热负荷。且不同级的绝热去磁制冷可采用不同的顺磁盐和超导磁体，降低了系统所需的盐丸质量和磁体质量。因磁热效应的内禀可逆性，绝热去磁制冷机的热力学效率很高，可降低绝热去磁制冷热沉所需的制冷功率，因而可以降低整个系统的尺寸、质量和所需功率。低温探测器需稳定和精准的温度控制，通常为1μK rms。利用绝热去磁制冷独特的磁场和温度之间的关系，通过反馈调节控制磁场电流，能够将温度调节到在任何需要的温度值。无耗散温度控制能够最大限度地利用绝热去磁制冷的冷却能力来吸收仪器产生的热负荷来提高效率。

本发明采用稀释制冷，具体地，稀释制冷利用³He－⁴He混合物在极低温下的特性进行制冷。当温度低于⁴He超流态的转变温度时，⁴He转变为超流氦。³He为费米流体，此时³He－⁴He混合物的性质主要由³He决定。当温度继续降低时，³He－⁴He混合物发生相分离现象，混合物分离成³He的浓相和³He的稀相，因³He密度小于⁴He，浓相位于混合液的上层；稀相位于混合液的下层。当温度接近0K时，稀相中³He浓度最大为6.6％。因稀相的焓值高于浓相，³He原子从浓相进入稀相吸收热量从而产生制冷效应，该过程为可逆过程。

具体地，如图1至图3所示，本发明的一种小型稀释制冷机的具体结构被阐明。如图1至图3所示，所述小型稀释制冷机可以被应用在各种类型的低温系统中并包括预冷模块、稀释模块以及热连接部件13。所述预冷模块能够对稀释模块进行预冷；所述稀释模块能够对外界热负荷提供连续制冷；所述热连接部件能够将预冷模块的冷量传递至稀释模块。

进一步地，所述热连接部件13的一端与预冷模块连接，另一端与稀释模块连接，即所述热连接部件13的两端分别连接于所述预冷模块和所述稀释模块。所述热连接部件包括高热导材料和多层隔热材料，所述多层隔热材料包裹在高热导材料外部。所述高热导材料将预冷模块冷量传递至稀释模块。所述多层隔热材料能够减小低温下的漏热。

所述预冷模块采用绝热去磁制冷机1，并由脉管制冷机或者两级GM制冷机为所述绝热去磁制冷机1提供4K冷源。优选地，所述预冷模块采用脉管制冷机为所述绝热去磁制冷机1提供4K冷源。所述脉管制冷机为二级脉管制冷机。脉管制冷机包括一级冷头和二级冷头；所述一级冷头与低温系统的一级冷盘相连，所述二级冷头与低温系统的二级冷盘相连。所述绝热去磁制冷机1包括0.3K冷盘2和4K冷盘3，所述绝热去磁制冷机1通过所述4K冷盘与所述二级脉管制冷机的所述二级冷头连接，所述二级脉管制冷机通过所述二级冷头为所述绝热去磁制冷机1提供4K冷源。值得一提的是，在工作时，所述一级冷头的工作温度范围为26K－50K；所述二级冷头的工作温度范围为3K－8K。

进一步地，所述绝热去磁制冷机通过0.3K冷盘2与所述热连接部件13连接；所述绝热去磁制冷机的热沉为4K冷盘3，通过进一步制冷，向所述热连接部件13提供0.3K冷源，所述热连接部件13将0.3K冷量传递至所述稀释模块。

更进一步地，所述绝热去磁制冷机1还包括连接于所述0.3K冷盘2和所述4K冷盘3之间的多级绝热去磁制冷系统，所述绝热去磁制冷机1通过所述0.3K冷盘2连接于所述热连接部件13；所述多级绝热去磁制冷系统由多个单级绝热去磁制冷模块和多个热开关组成，相邻两个所述单级绝热去磁制冷模块通过一个所述热开关相互连接，所述单级绝热去磁制冷模块包括磁热模块和设置在所述磁热模块外部的超导磁体，其中所述超导磁体设置在所述磁热模块的外部，能够为磁热模块提供可控变磁场。所述磁热模块与所述热开关连接。

可以理解的是，所述多级绝热去磁制冷系统为n级绝热去磁制冷系统，其中n为整数且n≥3。换句话说，所述多级绝热去磁制冷系统包括至少三个所述单级绝热去磁制冷模块和至少三个所述热开关，即所述多级绝热去磁制冷系统至少为三级绝热去磁制冷系统。

在工作时，通过对超导磁体施加电流，超导磁体产生磁场，对磁热模块进行加磁和去磁，使得磁热模块温度升高和降低。通过调控磁场电流的大小，能够准确控制磁热模块的温度。所述磁热模块在可控变磁场的作用下，能够为绝热去磁制冷机提供冷量。优选例1，磁热模块可以由单晶钆镓榴石材料制成。优选例2，磁热模块包括金属线骨架和附着在金属线骨架上的顺磁盐晶体，金属线骨架用于强化传热。所述热开关用于控制热量传递，当热开关断开时，具有绝热作用，热量无法通过热开关进行传递；当热开关闭合时，热量能够通过热开关进行传递。所述0.3K冷盘2和所述4K冷盘3具有冷却的作用，优选地，所述0.3K冷盘2和所述4K冷盘3由无氧铜制成。所述0.3K冷盘能够向外持续传递0.3K温度的冷源。所述4K冷盘能够向外持续传递4K温度的冷源。

优选地，本发明的所述多级绝热去磁制冷系统为三级绝热去磁系统，包括第一级绝热去磁制冷模块、第二级绝热去磁制冷模块、第三级绝热去磁制冷模块、第一级热开关6、第二级热开关9以及第三级热开关12；所述第一级绝热去磁制冷模块包括第一级超导磁体4和第一级磁热模块5；所述第二级绝热去磁制冷模块包括第二级超导磁体7和第二级磁热模块8；所述第三级绝热去磁制冷模块包括第三级超导磁体10和第三级磁热模块11。

具体地，所述第一级绝热去磁制冷模块的一端连接于所述第一冷盘2，且所述第一绝热去磁制冷模块的另一端和所述第二级绝热去磁制冷模块通过所述第一级热开关6相互连接，所述第二级绝热去磁制冷模块和所述第三级绝热去磁制冷模块通过所述第二级热开关9相互连接，所述第三级绝热去磁制冷模块和所述第二冷盘3通过所述第三热开关12相互连接。

也就是说，所述第三级热开关12的一端与所述4K冷盘3连接，所述第三级热开关12的另一端与所述第三级磁热模块11的一端连接；所述第三级磁热模块11的另一端与所述第二级热开关9的一端连接，所述第二级热开关9的另一端与所述第二级磁热模块8的一端连接；所述第二级磁热模块8的另一端与所述第一级热开关6的一端连接，所述第一级热开关6的另一端与所述第一级磁热模块5的一端连接，所述第一级磁热模块5的另一端与所述0.3K冷盘2连接。

本发明通过调控磁场电流的大小，调节第一级超导磁体的磁场强度，使得第一级磁热模块为恒温级，工作温度在0.3K；通过调控磁场电流的大小，调节第二级超导磁体的磁场强度，使得第二级磁热模块的工作温度在0.9K－0.25K；通过调控磁场电流的大小，调节第三级超导磁体的磁场强度，使得第三级磁热模块的工作温度在4K－0.9K。

所述4K冷盘3作为第三级绝热去磁制冷系统的热沉；所述第三级磁热模块作为第二级绝热去磁制冷系统的热沉；所述第二级磁热模块作为第一级绝热去磁制冷系统的热沉。

在非工作状态下，由于所述4K冷盘3的冷量输出，绝热去磁制冷机的温度接近4K。

三级绝热去磁制冷系统的绝热去磁制冷机工作流程如下：

第一级绝热去磁制冷系统开启制冷工作，第一级热开关断开，第一级磁热模块为恒温级，工作温度为0.3K，为所述0.3K冷盘2提供冷量；当第一级绝热去磁制冷系统开启循环工作，第一级热开关闭合，第二级热开关断开，第二级绝热去磁制冷系统开启制冷工作，第二级磁热模块工作温度为0.25K，此时第一级绝热去磁制冷系统开启循环工作产生的热量释放给第二级磁热模块。由于第二级磁热模块的工作温度为0.25K，第二级磁热模块不仅能够吸收第一级绝热去磁制冷系统开启循环工作产生的热量，而且能够为所述0.3K冷盘2提供冷量。当第二级绝热去磁制冷系统开启循环工作时，第一级绝热去磁制冷系统由开启循环工作变为开启制冷工作，此时第一级热开关断开，第二级热开关闭合，第一级磁热模块为恒温级，工作温度为0.3K，为所述0.3K冷盘2提供冷量；此时第二级绝热去磁制冷系统循环时产生的热量释放给第三级磁热模块。第三级磁热模块的工作温度为0.9K，第三级磁热模块能够吸收第二级绝热去磁制冷系统循环时产生的热量。当第三级绝热去磁制冷系统开启循环工作时，第二级热开关断开，第三级热开关闭合，第三级绝热去磁制冷系统开启循环工作产生的热量释放给所述4K冷盘3。

三级绝热去磁制冷系统的绝热去磁制冷机的时序控制如下：

当第一级绝热去磁制冷系统为制冷状态时，第二级绝热去磁制冷系统为循环状态，第三级绝热去磁制冷系统为制冷状态，也即第一级热开关断开、第二级热开关闭合、第三级热开关断开；当第一级绝热去磁制冷系统为循环状态时，第二级绝热去磁制冷系统为制冷状态，第三级绝热去磁制冷系统为循环状态，也即第一级热开关闭合、第二级热开关断开、第三级热开关闭合。

为了使第一级绝热去磁制冷系统在循环时所述0.3K冷盘2仍保持在0.3K，第二级绝热去磁制冷系统的制冷温度略低于0.3K，制冷温度为0.25K，最终使得绝热去磁制冷机能够持续为所述0.3K冷盘2提供0.3K冷量。

所述0.3K冷盘2与热连接部件13连接，通过热连接部件13，将0.3K冷量温度传递至稀释模块，使得预冷模块能够为稀释模块提供连续0.3K预冷冷源。

当绝热去磁制冷机采用级数大于三的多级绝热去磁制冷系统时，与三级绝热去磁制冷系统的绝热去磁制冷机工作流程和工作时序相同，均是通过控制不同级的磁热模块和热开关，实现为所述0.3K冷盘2提供持续的0.3K冷量，并通过热连接部件将0.3K冷量传递至稀释模块。

绝热去磁制冷机包括其他形式的连续绝热去磁制冷机，如并联形式的绝热去磁制冷机，本发明在此不作限制。

进一步地，所述稀释模块包括冷凝泵14、换热器15、混合室16以及蒸馏器17。所述冷凝泵14能够将³He气体冷凝液化。所述蒸馏器17能够将³He－⁴He混合液体加热，实现³He液体气化。所述混合室16用于容纳³He－⁴He混合物，³He－⁴He混合物在混合室16内实现相分离，浓相在上，稀相在下，³He原子从浓相进入稀相产生制冷，并将冷量通过混合室向外界传递，混合室16作为一种小型稀释制冷机向外界传递极低温冷量的窗口，能够为热负荷提供连续制冷。所述换热器15具有换热的作用，能够将从混合室16流入蒸馏器17的³He－⁴He混合液体与从冷凝泵14流入混合室16的³He液体进行换热，即使得从混合室16流入蒸馏器17的³He－⁴He混合液体温度升高，使得从冷凝泵14流入混合室16的³He液体的温度降低，起到对从冷凝泵流入混合室的³He液体进一步预冷的作用。

所述冷凝泵14通过热连接部件13与预冷模块中的0.3K冷盘2连接，0.3K冷盘为冷凝泵提供持续冷量。冷凝泵的底部为锥形结构，具有上下两个端口。换热器15包括两条管路通道，分别是第一管路通道18和第二管路通道19。所述冷凝泵14的下端口与换热器15的第一管路通道18的一端连接，换热器第一管路通道18的另一端与混合室16连接，使得冷凝泵14中的³He液体能够流入混合室16的³He－⁴He混合液体的浓相中。所述蒸馏器17具有上下两个端口。所述换热器的第二管路通道19一端进入混合室16的³He－⁴He混合液体的稀相中，换热器的第二管路通道19的另一端与蒸馏器17的下端口连接。蒸馏器17的上端口通过管路与冷凝泵14的上端口连接。

可以理解的是，本发明的所述小型稀释制冷机中的所述冷凝泵14能够提供连续制冷，从蒸馏器中蒸发的³He气体流入所述冷凝泵14中进行冷凝，冷凝后依靠重力作用流回混合室实现连续制冷循环，因此所述小型稀释制冷机无需设置加热吸附装置，实现了制冷机结构和控制过程简单，制冷温度稳定。

所述换热器可以为连续式换热器或分步式换热器。

在本发明的一实施中，所述换热器采用连续式换热器，具体地，所述连续式换热器包括管套管结构的毛细管，即连续式换热器第一管路通道18设置在连续式换热器第二管路通道19内部。具体结构为连续式换热器第一管路通道为螺旋状结构，连续式换热器第二管路通道为直线型结构；或者连续式换热器第一管路通道相对于连续式换热器第二管路通道为螺旋状，连续式换热器第二管路通道为螺旋状。上述两种管路设置具有节省空间和增加换热效果的作用。所述连续式换热器第一管路通道和连续式换热器第二管路通道的组成材料为CuNi。在连续式换热器中，第一管路通道中的³He液体与第二管路通道中的³He－⁴He混合液体随着换热器的长度连续变化。

在本发明的另一实实施例中，所述换热器采用分步式换热器，所述分步式换热器为多个换热器分离布置，不同换热器的温度不同，包括多个铜块20、分步式换热器第一管路通道18、分步式换热器第二管路通道19。分步式换热器第一管路通道18和分步式换热器第二管路通道19内加入一定的烧结金属粉末，具有增大换热面积，减小卡皮查热阻的作用。分步式换热器第一管路通道中的³He液体与分步式换热器第二管路通道中的³He－⁴He混合液体能够进行换热。

换热器的种类决定了稀释制冷机所能达到的最低温度。连续式换热器适用于预期最低温度较高时的情况。分步式换热器适用于更低温度或更大冷量，如预期最低温度低于0.05K。

所述稀释模块制冷的工作流程如下：

在混合室内，³He－⁴He混合液体发生相分离现象，浓相在上层，稀相在下层，³He原子从浓相进入稀相吸收热量，产生制冷效应。³He－⁴He混合液体的稀相在压力的驱动下，通过换热器的第二管路通道流入蒸馏器；对进入蒸馏器的³He－⁴He混合液体加热，由于相对于⁴He，³He的饱和蒸气压更高，更易蒸发，因此，通过控制蒸馏器的加热量，可实现⁴He－⁴He混合液体蒸发的³He占总蒸发气体的99％；⁴He气体通过管路进入冷凝泵，由于预冷模块的0.3K冷盘持续为冷凝泵提供0.3K冷源，使得³He气体在冷凝泵液化为³He液体；在重力作用下，冷凝泵中³He液体通过换热器的第一管路通道流入混合室内的浓相，同时，换热器的第二管路通道中的³He－⁴He混合液体与换热器的第一管路通道中的³He液体进行换热，即³He液体在换热器中被逆流的³He－⁴He混合液体冷却后，流入混合室。上述稀释模块的工作流程构成低温闭合循环，为热负荷提供极低温连续制冷。

可以理解的是，本发明的所述小型稀释制冷机利用包括多级绝热去磁制冷系统的所述绝热去磁制冷机进行预冷，在多级绝热去磁制冷系统中，每级在一定范围的温区内工作，降低了单级所需要的磁场；较高的温度级绝热去磁制冷系统充当低温级的热沉，能有效降低系统的寄生热负荷。因磁热效应的内禀可逆性，绝热去磁制冷机的热力学效率很高，可降低绝热去磁制冷热沉所需的制冷功率，因而可以降低整个系统的尺寸、质量和所需功率。因磁热效应的内禀可逆性，绝热去磁制冷机的热力学效率很高，可降低绝热去磁制冷热沉所需的制冷功率，因而可以降低整个系统的尺寸、质量和所需功率。因此本发明提供了一种制冷功率更高的小型稀释制冷机。

还可以理解的是，所述小型稀释制冷机还采用了冷凝泵提供连续制冷，从蒸馏器中蒸发的³He气体流入所述冷凝泵中进行冷凝后能够依靠重力作用流回混合室实现连续制冷循环，因此所述小型稀释制冷机无需设置外界气体处理系统、室温泵以及加热吸附装置，能够实现低温下的³He的内部循环，制冷机的整体结构和控制过程简单，制冷温度稳定，解决了现有技术中制冷系统温度不稳定、连续预冷机构复杂的问题。

本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属技术领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有实施方式予以穷举。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。

Claims (11)

1.一种小型稀释制冷机，其特征在于，包括预冷模块、稀释模块以及热连接部件，所述热连接部件的两端分别连接于所述预冷模块和所述稀释模块；所述预冷模块采用绝热去磁制冷机；所述稀释模块包括冷凝泵、换热器、混合室以及蒸馏器；所述冷凝泵通过所述热连接部件与所述绝热去磁制冷机连接；所述冷凝泵具有上下两个端口，所述换热器包括第一管路通道和第二管路通道，所述蒸馏器具有上下两个端口；所述冷凝泵的上端口通过管路连接于所述蒸馏器的上端口，所述冷凝泵的下端口连接于所述换热器的所述第一管路通道的一端；所述换热器的所述第一管路通道的另一端连接于所述混合室；所述换热器的所述第二管路通道的两端分别连接于所述蒸馏器的下端口和所述混合室。

2.根据权利要求1所述的一种小型稀释制冷机，其特征在于，所述绝热去磁制冷机包括0.3K冷盘、4K冷盘以及连接于所述0.3K冷盘和所述4K冷盘之间的多级绝热去磁制冷系统，所述绝热去磁制冷机通过所述0.3K冷盘连接于所述热连接部件；所述多级绝热去磁制冷系统由多个单级绝热去磁制冷模块和多个热开关组成，相邻两个所述单级绝热去磁制冷模块通过一个所述热开关相互连接，所述单级绝热去磁制冷模块包括磁热模块和设置在所述磁热模块外部的超导磁体。

3.根据权利要求2所述的一种小型稀释制冷机，其特征在于，所述多级绝热去磁制冷系统包括至少三个所述单级绝热去磁制冷模块和至少三个所述热开关，即所述多级绝热去磁制冷系统至少为三级绝热去磁制冷系统。

4.根据权利要求3所述的一种小型稀释制冷机，其特征在于，所述多级绝热去磁制冷系统为三级绝热去磁系统，包括第一级绝热去磁制冷模块、第二级绝热去磁制冷模块、第三级绝热去磁制冷模块、第一级热开关、第二级热开关以及第三级热开关；所述第一级绝热去磁制冷模块包括第一级超导磁体和第一级磁热模块；所述第二级绝热去磁制冷模块包括第二级超导磁体和第二级磁热模块；所述第三级绝热去磁制冷模块包括第三级超导磁体和第三级磁热模块；所述第一级绝热去磁制冷模块的一端连接于所述0.3K冷盘，且所述第一绝热去磁制冷模块的另一端和所述第二级绝热去磁制冷模块通过所述第一级热开关相互连接，所述第二级绝热去磁制冷模块和所述第三级绝热去磁制冷模块通过所述第二级热开关相互连接，所述第三级绝热去磁制冷模块和所述二级冷盘通过所述第三热开关相互连接。

5.根据权利要求4所述的一种小型稀释制冷机，其特征在于，所述第一级磁热模块为恒温级，工作温度为0.3K；所述第二级磁热模块的工作温度范围为0.9K－0.25K；所述第三级磁热模块的工作温度范围为4K－0.9K。

6.根据权利要求1所述的一种小型稀释制冷机，其特征在于，所述换热器为连续式换热器或分步式换热器。

7.根据权利要求6所述的一种小型稀释制冷机，其特征在于，所述连续换热器采用管套管结构，所述连续式换热器的第一管路通道设置在所述连续式换热器第二管路通道的内部；所述连续式换热器的第一管路通道为螺旋状结构，所述连续式换热器的第二管路通道为直线型结构；或者所述连续式换热器的第一管路通道相对于所述连续式换热器的第二管路通道为螺旋状，所述连续式换热器的第二管路通道为螺旋状。

8.根据权利要求7所述的一种小型稀释制冷机，其特征在于，所述连续式换热器的第一管路通道和所述连续式换热器的第二管路通道的组成材料为CuNi。

9.根据权利要求8所述的一种小型稀释制冷机，其特征在于，所述分步式换热器包括多个铜块、第一管路通道以及第二管路通道；所述第一管路通道和所述第二管路通道内设置有烧结金属粉末；且所述第一管路通道内设置有³He液体，所述第二管路通道内设置有³He－⁴He混合液体，所述分步式换热器的第一管路通道中的³He液体与第二管路通道中的³He－⁴He混合液体能够进行换热。

10.根据权利要求1所述的一种小型稀释制冷机，其特征在于，所述冷凝泵的底部为锥形结构。

11.根据权利要求2－5中任一所述的一种小型稀释制冷机，其特征在于，所述磁热模块由单晶钆镓榴石材料制成；或者所述磁热模块包括金属线骨架和附着在所述金属线骨架上的顺磁盐晶体。

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