CN116294285A - 一种极低温制冷系统及其制冷方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种极低温制冷系统及其制冷方法，包括斯特林制冷单元和耦合斯特林制冷单元的绝热去磁制冷单元；斯特林制冷单元包括连接于绝热去磁制冷单元的脉管冷指单元和连接于脉管冷指单元的脉管压缩机单元，其中脉管压缩机单元用于驱动脉管冷指单元制冷，脉管冷指单元用于制冷以为绝热去磁制冷单元提供预冷冷量，绝热去磁制冷单元用于基于磁热效应实现制冷；本发明的极低温制冷系统直接将长寿命斯特林型架构与绝热去磁制冷结合，充分利用斯特林型制冷机及绝热去磁制冷系统的优势，能够大幅降低空间极低温技术的复杂程度，并进一步提高整机系统的效率。

Description

一种极低温制冷系统及其制冷方法

技术领域

本发明涉及极低温制冷技术领域，特别是涉及一种极低温制冷系统及其制冷方法。

背景技术

深空探测拓展了人类对地球、太阳系和宇宙的认识，推动空间资源的开发利用与空间科学技术的创新发展，是大国竞争的重要领域。深空探测已成为全世界极为活跃的科技前沿领域之一，该领域需要一系列关键科学技术的支撑，其中包括极低温区制冷技术。极低温制冷技术通常是指获取低于1K温度并提供一定冷量的制冷技术，除了在空间探测领域，在凝聚态物理、量子技术等基础和前沿科研领域中也扮演着重要角色。极低温制冷技术系统通常包含预冷制冷系统及极低温制冷子系统。

极低温的主要作用是：1)提供极端物理环境，研究特殊的物理效应(例如氦3超流态转变和量子反常霍尔效应等)。2)提高仪器量程和分辨率，例如空间探测中用于观测X射线至远红外波段的仪器，需工作在1K以下，且温度越低，分辨率越高。3)降低热噪声水平，提高信噪比。在常用的极低温制冷技术中，绝热去磁制冷机ADR(adiabatic demagnetizationrefrigerator)具有覆盖温区广、本征效率高、不依赖重力或稀缺工质的突出优点，已成为空间应用中的主流技术路线。同时，凭借工质广泛、结构紧凑、成本较低的特点，ADR在地面实验室中也有着广阔的应用前景。典型的单级ADR热力学循环包括等温磁化、绝热去磁、等温去磁和绝热磁化四个过程。

当前空间用极低温制冷机均需要4K温区的预冷，而实现方式基本上是靠多级斯特林和J-T节流技术的结合，系统异常复杂，后者对于工质的洁净度要求特别高；地面用4K温区制冷机主流采用G-M型脉冲管制冷技术，效率低，体积大，采用油润滑压缩机，需要定期维护。且4K温区效率低，导致整机系统效率较低。针对该现状，发展适用于空间应用以及地面科学研究的紧凑高效的极低温系统具有重要意义。

发明内容

本发明的目的是，提供一种极低温制冷系统及其制冷方法，该极低温制冷系统直接将长寿命斯特林型架构与绝热去磁制冷结合，充分利用斯特林型制冷机及绝热去磁制冷系统的优势，能够大幅降低空间极低温技术的复杂程度，并进一步提高整机系统的效率。

本发明在一方面提供了一种极低温制冷系统，包括斯特林制冷单元和耦合所述斯特林制冷单元的绝热去磁制冷单元；所述斯特林制冷单元包括连接于所述绝热去磁制冷单元的脉管冷指单元和连接于所述脉管冷指单元的脉管压缩机单元，其中所述脉管压缩机单元用于驱动所述脉管冷指单元制冷，所述脉管冷指单元用于制冷以为所述绝热去磁制冷单元提供预冷冷量，所述绝热去磁制冷单元用于基于磁热效应实现制冷。

在本发明的一实施例中，所述极低温制冷系统还包括真空罩，所述脉管冷指单元和所述绝热去磁制冷单元均设置在所述真空罩内。

在本发明的一实施例中，所述脉管冷指单元为二级脉冲冷指单元，所述二级脉冲冷指单元包括采用同轴型结构的第一级脉管和采用U型结构的第二级脉管；

所述第一级脉管包括一级相调器、连接于所述一级相调器的一级热端换热器、连接于所述一级热端换热器的一级回热器、连接于所述一级回热器的一级冷头以及连接于所述一级冷头的一级脉管；

所述第二级脉管包括通过热桥连接于所述一级冷头的二级中间换热器、分别连接于所述二级中间换热器上下两侧的二级高温段回热器和二级低温段回热器、连接于所述二级高温段回热器的二级热端换热器、连接于所述二级低温段回热器的二级冷头、通过U型连接管连接于所述二级冷头的二级脉管冷端换热器以及连接于所述二级脉管冷端换热器的二级脉管。

在本发明的一实施例中，所述第一级脉管还包括设置在所述真空罩内的一级冷屏，所述一级冷头、所述热桥以及所述中间低温段回热器设置在所述一级冷屏外，所述二级脉管冷端换热器的部分结构、所述U型连接管以及所述二级低温段回热器均设置在所述一级冷屏内；

所述第二级脉管还包括连接于所述一级冷头并与所述二级冷头相接触的二级冷盘、连接于所述二级冷盘的二级冷屏以及设置在所述一级冷头和所述二级冷盘之间的第一热开关；

所述绝热去磁制冷单元设置在所述二级冷屏内。

在本发明的一实施例中，所述绝热去磁单元包括设置在所述二级冷屏内的超导磁体、悬挂设置在所述超导磁体之间的磁热模块、设置在所述二级冷盘和所述磁热模块之间的第二热开关以及连接于所述磁热模块的冷端。

在本发明的一实施例中，所述磁热模块为钆镓石榴石、氟化钆锂、铁铵明矾、铬钾明矾中的任意一种；和/或，所述第一热开关采用对流式热开关；和/或，所述第二热开关采用主动气隙式热开关，通过加热或冷却吸附床，使气体脱附或吸附，从而实现通断状态的切换。

在本发明的一实施例中，所述脉管压缩机单元包括通过气体管路分别连接于所述脉管冷指单元的一级热端换热器和二级热端换热器的脉管驱动压缩机和连接于所述二级脉管的热端的调相压缩机。

在本发明的一实施例中，所述斯特林制冷单元为所述绝热去磁制冷单元提供的预冷温度为2～20K。

本发明在另一方面还提供了一种极低温制冷系统的制冷方法，包括步骤：

启动脉管压缩机单元；

经由脉管压缩机单元驱动脉管冷指单元制冷，为绝热去磁制冷单元提供预冷冷量；

在绝热去磁制冷单元预冷到目标预冷温度时，对绝热去磁制冷单元施加电流，绝热去磁制冷单元基于磁热效应实现制冷。

在本发明的一实施例中，所述极低温制冷系统的制冷方法具体包括步骤：

启动所述脉管压缩机单元的脉管驱动压缩机；

经由所述脉管驱动压缩机驱动脉管冷指单元，使得脉管冷指单元的一级冷头降温；

第一热开关由于两端存在温度差，内部气流开始对流换热，从而使得第一热开关自动开启；

当所述绝热去磁制冷单元温度与一级冷头温度一致时，第一热开关断开；

当脉管冷指单元的二级冷头温度达到目标预冷温度时，导通脉管冷指单元的第二热开关，将绝热去磁制冷单元的超导磁体和磁热模块冷却到目标预冷温度；

对超导磁体施加电流，从而对磁热模块施加磁场，磁热模块产生磁化热，通过第二热开关将产生的热量传导至二级冷头；

当磁热模块的温度到达二级冷头温度附近时，断开第二热开关，对磁热模块退磁，磁热模块温度降低，实现制冷；

其中所述目标预冷温度为2～20K。

本发明利用高效的斯特林型制冷机耦合绝热去磁制冷系统获得极低温制冷温度，与传统的极低温ADR系统架构相比，本发明的极低温制冷系统充分利用斯特林型制冷机及ADR子系统的优势，具有系统结构简单、高效、可操作性高等优点。

通过对随后的描述和附图的理解，本发明进一步的目的和优势将得以充分体现。

附图说明

图1为本发明的一优选实施例的所述极低温制冷系统的结构示意图。

附图标号说明：极低温制冷系统100；

斯特林制冷单元1；脉管冷指单元10；第一级脉管11；一级相调器111；一级热端换热器112；一级回热器113；一级冷头114；一级冷屏115；一级脉管116；第二级脉管12；二级中间换热器121；二级高温段回热器122；二级低温段回热器123；二级热端换热器124；二级冷头125；二级脉管冷端换热器126；二级冷盘127；二级冷屏128；第一热开关129；二级脉管130；热桥13；U型连接管14；脉管压缩机单元20；脉管驱动压缩机21；调相压缩机22；绝热去磁制冷单元30；超导磁体31；磁热模块32；第二热开关33；冷端34；真空罩2。

具体实施方式

以下描述用于揭露本发明以使本领域技术人员能够实现本发明。以下描述中的优选实施例只作为举例，本领域技术人员可以想到其他显而易见的变型。在以下描述中界定的本发明的基本原理可以应用于其他实施方案、形变方案、改进方案、等同方案以及没有背离本发明的精神和范围的其他技术方案。

本领域技术人员应理解的是，在本发明的揭露中，术语“竖向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”等指示的方位或位置关系是基于附图所示的方位或位置关系，其仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此上述术语不能理解为对本发明的限制。

可以理解的是，术语“一”应理解为“至少一”或“一个或多个”，即在一个实施例中，一个元件的数量可以为一个，而在另外的实施例中，该元件的数量可以为多个，术语“一”不能理解为对数量的限制。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接或可以相互通讯；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

本发明设计了一种斯特林制冷耦合绝热去磁制冷(ADR)的极低温制冷系统，直接将长寿命斯特林型架构与绝热去磁制冷(ADR)结合，同时还可以选择提高极低温系统的预冷温度，充分利用斯特林型制冷机及ADR子系统的优势，有望大幅降低空间极低温技术的复杂程度，并进一步提高整机系统的效率。

如图1所示，根据本发明的一优选实施例的所述极低温制冷系统100的具体结构被阐明。所述极低温制冷系统100包括斯特林制冷单元1和耦合所述斯特林制冷单元1的绝热去磁制冷单元30；所述斯特林制冷单元1包括连接于所述绝热去磁制冷单元30的脉管冷指单元10和连接于所述脉管冷指单元10的脉管压缩机单元20，其中所述脉管压缩机单元20用于驱动所述脉管冷指单元10制冷，所述脉管冷指单元10用于制冷以为所述绝热去磁制冷单元30提供预冷冷量，所述绝热去磁制冷单元30用于基于磁热效应实现制冷。

也就是说，本发明的所述极低温制冷系统100主要由所述脉管压缩机单元20、所述脉管冷指单元10以及所述绝热去磁制冷单元30组成。所述脉管冷指单元10可以为多级脉管冷指单元10，所述绝热去磁制冷单元30可以为单级、多级或恒温级结构，本发明对此不作限制。

值得一提的是，所述脉管压缩机单元20和所述脉管冷指单元10通过气体管路连接；所述脉管冷指单元10和所述绝热去磁制冷单元30通过固体热连接进行连接。

进一步地，所述极低温制冷系统100还包括真空罩2，所述脉管冷指单元10和所述绝热去磁制冷单元30均设置在所述真空罩2内。

在本发明的这一具体实施例中，所述脉管冷指单元10为二级脉冲冷指单元，所述二级脉冲冷指单元包括采用同轴型结构的第一级脉管11和采用U型结构的第二级脉管12。

所述第一级脉管11包括一级相调器111、连接于所述一级相调器111的一级热端换热器112、连接于所述一级热端换热器112的一级回热器113、连接于所述一级回热器113的一级冷头114以及连接于所述一级冷头114的一级脉管116。

所述第二级脉管12包括通过热桥13连接于所述一级冷头114的二级中间换热器121、分别连接于所述二级中间换热器121上下两侧的二级高温段回热器122和二级低温段回热器123、连接于所述二级高温段回热器122的二级热端换热器124、连接于所述二级低温段回热器123的二级冷头125、通过U型连接管14连接于所述二级冷头125的二级脉管冷端换热器126以及连接于所述二级脉管冷端换热器126的二级脉管130。

在本发明的这一具体实施例中，所述第一级脉管11还包括设置在所述真空罩2内的一级冷屏115，所述一级冷头114、所述热桥13以及所述中间低温段回热器设置在所述一级冷屏115外，所述二级脉管冷端换热器126的部分结构、所述U型连接管14以及所述二级低温段回热器123均设置在所述一级冷屏115内。

所述第二级脉管12还包括连接于所述一级冷头114并与所述二级冷头125相接触的二级冷盘127、连接于所述二级冷盘127的二级冷屏128以及设置在所述一级冷头114和所述二级冷盘127之间的第一热开关129。

值得一提的是，在本发明的这一具体实施例中，所述第一热开关129采用对流式热开关，连接在所述一级冷头114和所述二级冷盘127之间，用于在所述极低温制冷系统100降温初期加快所述绝热去磁制冷单元30的降温速率。

特别地，所述绝热去磁制冷单元30设置在所述二级冷屏128内，即所述绝热去磁制冷单元30被所述二级冷盘127包裹。所述绝热去磁单元具体包括设置在所述二级冷屏128内的超导磁体31、悬挂设置在所述超导磁体31之间的磁热模块32、设置在所述二级冷盘127和所述磁热模块32之间的第二热开关33以及连接于所述磁热模块32的冷端34。

所述绝热去磁制冷单元30基于磁热效应实现制冷的原理为：当所述二级冷头125温度达到目标预冷温度附近时，导通所述第二热开关33，将所述超导磁体31和所述磁热模块32冷却到目标预冷温度附近。此时，对所述超导磁体31施加电流，从而对所述磁热模块32施加磁场，所述磁热模块32产生磁化热，通过所述第二热开关33将产生的热量传导至所述二级冷头125。当所述磁热模块32的温度到达所述二级冷头125温度附近时，断开所述第二热开关33，对所述磁热模块32退磁，所述磁热模块32温度降低，实现制冷。

值得一提的是，所述二级脉管冷指单元10的所述二级冷头125为所述绝热去磁制冷单元30提供所需预冷量。特别地，所述二级脉管冷指单元10为所述绝热去磁制冷单元30提供的预冷温度为2～20K，也就是说，所述绝热去磁制冷单元30的目标预冷温度范围为2～20K。

还值得一提的是，所述第二热开关33采用主动气隙式热开关，通过加热或冷却吸附床，使气体脱附或吸附，从而实现通断状态的切换。

进一步地，所述脉管压缩机单元20包括通过气体管路分别连接于所述脉管冷指单元10的所述一级热端换热器112和所述二级热端换热器124的脉管驱动压缩机21和连接于所述二级脉管130的热端的调相压缩机22。

具体地，所述脉管驱动压缩机21用于驱动所述二级脉管冷指单元10制冷，从而为所述绝热去磁制冷单元30提供所需预冷冷量。

应该理解的是，本发明的所述极低温制冷系统100的具体结构不一定限于目前的描述，可以通过改变所述斯特林制冷单元1的级数、架构、数量和所述绝热去磁制冷单元30的级数(单级、多级、恒温级)等实现不同的循环，多种最低制冷温度、多种热开关形式均适用于本发明所述的结构，本发明对此不作限制。

值得一提的是，若所述绝热去磁制冷单元30采用单级结构时，所述磁热模块32的磁热材料可以采用钆镓石榴石或氟化钆锂，若所述绝热去磁制冷单元30采用多级结构时，所述磁热模块32的磁热材料可以采用铁铵明矾或铬钾明矾，本发明对此也不作限制。

可以理解的是，本发明在另一方面还提供了所述极低温制冷系统100的制冷方法，包括步骤：

启动所述脉管压缩机单元20；

经由所述脉管压缩机单元20驱动所述脉管冷指单元10制冷，为所述绝热去磁制冷单元30提供预冷冷量；

在所述绝热去磁制冷单元30预冷到目标预冷温度时，对所述绝热去磁制冷单元30施加电流，所述绝热去磁制冷单元30基于磁热效应实现制冷。

具体地，以预冷温度为10K，所述绝热去磁制冷单元30是单级结构为例，所述极低温制冷系统100的制冷方法具体包括步骤：

降温过程中，首先启动所述脉管压缩机单元20的所述脉管驱动压缩机21；

经由所述脉管驱动压缩机21驱动所述脉管冷指单元10，使得所述脉管冷指单元10的所述一级冷头114降温；

所述第一热开关129由于两端存在温度差，内部气流开始对流换热，从而使得所述第一热开关129自动开启，加速所述绝热去磁制冷单元30的降温速率；

当所述绝热去磁制冷单元30温度与所述一级冷头114温度一致时，所述第一热开关129断开；

当所述脉管冷指单元10的所述二级冷头125温度达到10K附近时，导通所述脉管冷指单元10的所述第二热开关33，将所述绝热去磁制冷单元30的所述超导磁体31和所述磁热模块32冷却到10K附近；

对所述超导磁体31施加电流，从而对所述磁热模块32施加磁场，所述磁热模块32产生磁化热，通过所述第二热开关33将产生的热量传导至所述二级冷头125；

当所述磁热模块32的温度到达所述二级冷头125温度附近时，断开所述第二热开关33，对所述磁热模块32退磁，所述磁热模块32温度降低，实现制冷。

本发明利用高效的斯特林型制冷机耦合绝热去磁制冷系统获得极低温制冷温度，与传统的极低温ADR系统架构相比，本发明的极低温制冷系统100充分利用斯特林型制冷机及ADR子系统的优势，具有系统结构简单、高效、可操作性高等优点，能够适用于空间应用以及地面科学研究。

以上实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。

以上实施例仅表达了本发明的优选的实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (10)

1.一种极低温制冷系统，其特征在于，包括斯特林制冷单元和耦合所述斯特林制冷单元的绝热去磁制冷单元；所述斯特林制冷单元包括连接于所述绝热去磁制冷单元的脉管冷指单元和连接于所述脉管冷指单元的脉管压缩机单元，其中所述脉管压缩机单元用于驱动所述脉管冷指单元制冷，所述脉管冷指单元用于制冷以为所述绝热去磁制冷单元提供预冷冷量，所述绝热去磁制冷单元用于基于磁热效应实现制冷。

2.根据权利要求1所述的极低温制冷系统，其特征在于，还包括真空罩，所述脉管冷指单元和所述绝热去磁制冷单元均设置在所述真空罩内。

3.根据权利要求2所述的极低温制冷系统，其特征在于，所述脉管冷指单元为二级脉冲冷指单元，所述二级脉冲冷指单元包括采用同轴型结构的第一级脉管和采用U型结构的第二级脉管；

所述第一级脉管包括一级相调器、连接于所述一级相调器的一级热端换热器、连接于所述一级热端换热器的一级回热器、连接于所述一级回热器的一级冷头以及连接于所述一级冷头的一级脉管；

所述第二级脉管包括通过热桥连接于所述一级冷头的二级中间换热器、分别连接于所述二级中间换热器上下两侧的二级高温段回热器和二级低温段回热器、连接于所述二级高温段回热器的二级热端换热器、连接于所述二级低温段回热器的二级冷头、通过U型连接管连接于所述二级冷头的二级脉管冷端换热器以及连接于所述二级脉管冷端换热器的二级脉管。

4.根据权利要求3所述的极低温制冷系统，其特征在于，所述第一级脉管还包括设置在所述真空罩内的一级冷屏，所述一级冷头、所述热桥以及所述中间低温段回热器设置在所述一级冷屏外，所述二级脉管冷端换热器的部分结构、所述U型连接管以及所述二级低温段回热器均设置在所述一级冷屏内；

所述第二级脉管还包括连接于所述一级冷头并与所述二级冷头相接触的二级冷盘、连接于所述二级冷盘的二级冷屏以及设置在所述一级冷头和所述二级冷盘之间的第一热开关；

所述绝热去磁制冷单元设置在所述二级冷屏内。

5.根据权利要求4所述的极低温制冷系统，其特征在于，所述绝热去磁单元包括设置在所述二级冷屏内的超导磁体、悬挂设置在所述超导磁体之间的磁热模块、设置在所述二级冷盘和所述磁热模块之间的第二热开关以及连接于所述磁热模块的冷端。

6.根据权利要求5所述的极低温制冷系统，其特征在于，所述磁热模块为钆镓石榴石、氟化钆锂、铁铵明矾、铬钾明矾中的任意一种；和/或，所述第一热开关采用对流式热开关；和/或，所述第二热开关采用主动气隙式热开关，通过加热或冷却吸附床，使气体脱附或吸附，从而实现通断状态的切换。

7.根据权利要求5所述的极低温制冷系统，其特征在于，所述脉管压缩机单元包括通过气体管路分别连接于所述脉管冷指单元的一级热端换热器和二级热端换热器的脉管驱动压缩机和连接于所述二级脉管的热端的调相压缩机。

8.根据权利要求1至7中任一项所述的极低温制冷系统，其特征在于，所述斯特林制冷单元为所述绝热去磁制冷单元提供的预冷温度为2～20K。

9.一种根据权利要求1至7中任一项所述的极低温制冷系统的制冷方法，其特征在于，包括步骤：

启动脉管压缩机单元；

经由脉管压缩机单元驱动脉管冷指单元制冷，为绝热去磁制冷单元提供预冷冷量；

在绝热去磁制冷单元预冷到目标预冷温度时，对绝热去磁制冷单元施加电流，绝热去磁制冷单元基于磁热效应实现制冷。

10.根据权利要求9所述的极低温制冷系统的制冷方法，其特征在于，具体包括步骤：

启动所述脉管压缩机单元的脉管驱动压缩机；

经由所述脉管驱动压缩机驱动脉管冷指单元，使得脉管冷指单元的一级冷头降温；

第一热开关由于两端存在温度差，内部气流开始对流换热，从而使得第一热开关自动开启；

当所述绝热去磁制冷单元温度与一级冷头温度一致时，第一热开关断开；

当脉管冷指单元的二级冷头温度达到目标预冷温度时，导通脉管冷指单元的第二热开关，将绝热去磁制冷单元的超导磁体和磁热模块冷却到目标预冷温度；

对超导磁体施加电流，从而对磁热模块施加磁场，磁热模块产生磁化热，通过第二热开关将产生的热量传导至二级冷头；

当磁热模块的温度到达二级冷头温度附近时，断开第二热开关，对磁热模块退磁，磁热模块温度降低，实现制冷；

其中所述目标预冷温度为2～20K。

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