CN116678256A - 一种用于稀释制冷机的热开关装置及系统 - Google Patents

Abstract

本申请涉及一种用于稀释制冷机的热开关装置及系统，应用于低温设备技术领域，其包括外壳以及设置在外壳内的拉伸件，所述拉伸件内设置有压电陶瓷堆栈，所述拉伸件用于放大压电陶瓷堆栈的拉伸距离，所述外壳与拉伸件之间设置有第一热沉，所述第一热沉和拉伸件分别与两个相邻的冷盘连接。本申请通过对压电陶瓷堆栈进行通电，压电陶瓷堆栈沿外壳的长度方向拉伸，使得拉伸件沿长度方向拉伸，拉伸件将长度方向拉伸的距离放大若干倍进行宽度方向拉伸，使得拉伸件与第一热沉出现接触，从而便于拉伸件与第一热沉出现导热，进而便于相邻两个冷盘通过拉伸件和第一热沉进行导热，以便于实现稀释制冷机不同温区之间的热量传递。

Description

一种用于稀释制冷机的热开关装置及系统

技术领域

本申请涉及低温设备技术领域，尤其是涉及一种用于稀释制冷机的热开关装置及系统。

背景技术

目前量子计算的基本单元是量子处理器，其需要工作在超低温环境，约20mK(Kelvins，开尔文)，超低温可以有效降低环境噪声对超导量子处理器带来的影响，取得较为优异的工作性能，如果工作环境温度过高，其量子态的演化将非常难以控制。目前通常采用稀释制冷机提供超低温环境，其采用分级制冷技术，形成不同温度的温区，量子处理器通常设置于稀释制冷机的温度最低的温区中，操控量子处理器的信号源设备和微波检测设备通常设置于稀释制冷机的外部。

稀释制冷机中不同温区之间通过冷盘进行分隔，可以有效的减少不同温区之间热量传递的干扰，但是当需要将量子处理器取出时，需要将稀释制冷机的所有温区恢复至室温。目前常用的是通过气隙式热开关对相邻的两个冷盘进行连接，常规状态下气隙式热开关内呈真空状态，无法对相邻冷盘之间进行导热，当向气隙式热开关内导气时，通过气隙式热开关内的气体以及内部的导热翅片，可将相邻两个冷盘的热量进行传递，从而实现稀释制冷机内不同温区之间的导热。

针对上述中的相关技术，发明人认为气隙式热开关的导热翅片相互交叉，要求距离足够近但不能接触，这对加工工艺有很大的要求，导致制作复杂且成本高，适用范围较小。

发明内容

为了改善气隙式热开关的导热翅片相互交叉，要求距离足够近但不能接触，这对加工工艺有很大的要求，制作成本高，适用范围较小的问题，本申请提供一种用于稀释制冷机的热开关装置及系统。

第一方面，本申请提供的一种用于稀释制冷机的热开关装置采用如下的技术方案：

包括外壳以及设置在外壳内的拉伸件，所述外壳与拉伸件之间设置有第一热沉，所述拉伸件内设置有压电陶瓷堆栈，所述拉伸件用于放大压电陶瓷堆栈的拉伸距离，以使所述拉伸件与第一热沉相抵触，所述第一热沉与相邻两个冷盘连接。

可选的，所述拉伸件包括固定板、柔性杆以及拉伸杆，所述固定板沿外壳长度方向设置有两个，其中一个所述固定板固定设置于外壳的内壁上且与冷盘连接；

所述柔性杆设置有两对，两对所述柔性杆均设置于两个固定板相对的侧壁上，同一对所述柔性杆沿固定板的长度方向设置；

所述拉伸杆与柔性杆一一对应，且所述拉伸杆固定设置于柔性杆远离固定板的一端。

可选的，同一对所述柔性杆远离固定板的一端相互靠近，同一对所述柔性杆上的两个拉伸杆远离柔性杆的一端相互靠近。

可选的，所述拉伸件还包括固定架，所述固定架固定设置于固定板上，所述固定架与固定板一一对应，且所述固定架设置于两个固定板相对的一侧，所述压电陶瓷堆栈固定设置于两个固定架上。

可选的，沿所述外壳长度方向设置的两个拉伸杆之间设有第二热沉，所述第二热沉通过连接杆与拉伸杆连接。

可选的，所述第一热沉和第二热沉采用高导热材料制成。

可选的，所述第一热沉和第二热沉表面镀金。

可选的，所述外壳采用低导热材料制成。

第二方面，本申请提供一种稀释制冷机，包括若干冷盘以及上述的热开关装置，所述热开关装置设置于相邻两个冷盘之间。

第三方面，本申请提供一种量子计算机，包括上述的稀释制冷机以及量子处理器，所述量子处理器设置于稀释制冷机的最下层。

综上所述，本申请包括以下至少一种有益技术效果：当对压电陶瓷堆栈进行通电时，压电陶瓷堆栈沿外壳的长度方向拉伸，使得拉伸件沿长度方向拉伸，拉伸件将长度方向拉伸的距离放大若干倍进行宽度方向拉伸，使得拉伸件与第一热沉出现接触，从而便于拉伸件与第一热沉出现导热，进而便于相邻两个冷盘通过拉伸件和第一热沉进行导热，以便于实现稀释制冷机不同温区之间的热量传递，同时，本申请中无需使用交叉导热翅片等复杂工艺，拉伸件也可以一体成型，只需要将压电陶瓷堆栈固定于拉伸件中，加工工艺较为简单，大大降低了降低制作成本。

附图说明

图1是本申请实施例一种用于稀释制冷机的热开关装置的整体结构示意图。

图2是本申请实施例用于体现拉伸件的结构示意图。

附图标记说明：1、外壳；2、拉伸件；21、固定板；22、柔性杆；23、拉伸杆；24、固定架；25、第二热沉；26、连接杆；3、压电陶瓷堆栈；4、第一热沉。

具体实施方式

以下结合附图1-2对本申请作进一步详细说明。

以下详细描述仅是说明性的，并不旨在限制实施例和/或实施例的应用或使用。此外，无意受到前面的“背景技术”或“发明内容”部分或“具体实施方式”部分中呈现的任何明示或暗示信息的约束。

为使本申请实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，现在参考附图描述一个或多个实施例，其中，贯穿全文相似的附图标记用于指代相似的组件。在下面的描述中，出于解释的目的，阐述了许多具体细节，以便提供对一个或多个实施例的更透彻的理解。然而，很明显，在各种情况下，可以在没有这些具体细节的情况下实践一个或多个实施例，各个实施例在不矛盾的前提下可以相互结合相互引用。

需要说明的是，本申请的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本申请的实施例能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。

本申请实施例公开一种用于稀释制冷机的热开关装置。

参照图1和图2，热开关装置包括外壳1以及设置在外壳1内的拉伸件2，所述拉伸件2内设置有压电陶瓷堆栈3，压电陶瓷堆栈3上固定设置有导线，所述拉伸件2用于放大压电陶瓷堆栈3的拉伸距离，所述外壳1与拉伸件2之间设置有第一热沉4，所述第一热沉4相邻两个冷盘中的其中一个连接，所述拉伸件2与相邻两个冷盘中的另一个连接。

参照图1和图2，当通过导线对压电陶瓷堆栈3进行通电时，压电陶瓷堆栈3沿外壳1的长度方向拉伸，使得拉伸件2沿长度方向拉伸，拉伸件2将长度方向拉伸的距离放大若干倍进行宽度方向拉伸，使得拉伸件2与第一热沉4出现接触，从而便于拉伸件2与第一热沉4出现导热，进而便于相邻两个冷盘通过拉伸件2和第一热沉4进行导热，以便于实现稀释制冷机不同温区之间的热量传递。同时无需采用交叉导热翅片等复杂结构，拉伸件2也可以一体成型，加工工艺较为简单，大大降低了降低制作成本。

参照图1和图2，应当理解的是，压电陶瓷堆栈3由多个压电陶瓷芯片面对面堆叠组成，使用专用的胶水粘接。通常单个压电陶瓷芯片位移不超过5μm，多个压电陶瓷芯片堆栈后位移可超过100μm。实际来说，当压电陶瓷堆栈3通电后，压电陶瓷堆栈3会产生40-200μm长度方向的位移，经过拉伸件2放大后，拉伸件2会产生1-3mm宽度方向的位移，并可以施加10-100N的压力，使得拉伸件2抵紧于第一热沉4上。而压电陶瓷堆栈3通电前，由于第一热沉4和拉伸件2之间存在间隙，且处于真空状态，导热性能极差，可以认为相邻两个冷盘之间不进行热量传递。

参照图1和图2，所述拉伸件2包括固定板21、固定架24、柔性杆22、拉伸杆23以及第二热沉25，所述固定板21沿外壳1长度方向设置有两个，其中一个所述固定板21固定设置于外壳1的内壁上。所述固定架24固定设置于固定板21上，所述固定架24与固定板21一一对应，且所述固定架24设置于两个固定板21相对的一侧，所述压电陶瓷堆栈3固定设置于两个固定架24上。所述柔性杆22设置有两对，两对所述柔性杆22均固定设置于两个固定板21相对的侧壁上，同一对所述柔性杆22沿固定板21的长度方向设置。所述拉伸杆23与柔性杆22一一对应，且所述拉伸杆23固定设置于柔性杆22远离固定板21的一端。同一对所述柔性杆22远离固定板21的一端相互靠近，同一对所述柔性杆22上的两个拉伸杆23远离柔性杆22的一端相互靠近。应当理解的是，柔性杆22质地较软，且足够细，轻微力量下即可发生变形，也可以使用柔性杆22铰接于固定板21上。第二热沉25设置于沿所述外壳1长度方向的两个拉伸杆23之间，所述第二热沉25通过连接杆26与拉伸杆23固定连接。

参照图1和图2，当对压力陶瓷堆栈进行通电时，压力陶瓷堆栈拉伸并通过固定件带动未固定与外壳1上的固定板21沿外壳1长度方向拉伸，固定板21带动柔性杆22向背离压电陶瓷堆栈3的一侧转动，柔性杆22带动拉伸杆23转动，拉伸杆23带动第二热沉25向靠近第一热沉4的方向移动，使得第一热沉4与第二热沉25接触，从而便于第一热沉4和第二热沉25进行热量传递，进而便于固定板21和第一热沉4进行热量传递，以便于相邻两个冷盘通过固定板21和第一热沉4进行热量传递。

参照图1和图2，所述第一热沉4和第二热沉25采用高导热材料制成，在0-4K的温度区间，导热率100以上的认为是高导热率材料，本申请中外壳1使用不锈钢制成，本申请中第一热沉4和第二热沉25使用高纯度无氧铜制成。本申请所述的高导热材料是指所述第一热沉4和第二热沉25表面镀金，镀金是为了减少第一热沉4和第二热沉25表面被氧化的情况发。所述外壳1采用低导热材料制成，在0-4K的温度区间，10^(-1)到10的1次方之间认为是低导热率材料，本申请中外壳1使用不锈钢制成。

本申请实施例的实施原理为：当通过导线对压电陶瓷堆栈3进行通电，压电陶瓷堆栈3沿外壳1的长度方向拉伸，使得压力陶瓷堆栈拉伸并通过固定件带动未固定与外壳1上的固定板21沿外壳1长度方向拉伸，固定板21带动柔性杆22向背离压电陶瓷堆栈3的一侧转动，柔性杆22带动拉伸杆23转动，拉伸杆23带动第二热沉25向靠近第一热沉4的方向移动，使得第一热沉4与第二热沉25接触，从而便于第一热沉4和第二热沉25进行热量专利，从而便于拉伸件2与第一热沉4出现导热，进而便于相邻两个冷盘通过拉伸件2和第一热沉4进行导热，以便于实现稀释制冷机不同温区之间的热量传递。无需采用交叉导热翅片等复杂结构，拉伸件2也可以一体成型，加工工艺较为简单，大大降低了降低制作成本。

基于相同的技术构思，本申请还提供一种稀释制冷机，包括若干冷盘以及上述的热开关装置，所述热开关装置设置于相邻两个冷盘之间，在通电时，可对相邻两个冷盘之间的热量进行传递。

基于相同的技术构思，本申请还提供一种量子计算机，包括上述的稀释制冷机以及量子处理器，所述量子处理器设置于稀释制冷机的最下层。

以上均为本申请的较佳实施例，并非依此限制本申请的保护范围，故：凡依本申请的结构、形状、原理所做的等效变化，均应涵盖于本申请的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种用于稀释制冷机的热开关装置，其特征在于，包括：外壳(1)以及设置在外壳(1)内的拉伸件(2)，所述外壳(1)与拉伸件(2)之间设置有第一热沉(4)，所述拉伸件(2)内设置有压电陶瓷堆栈(3)，所述拉伸件(2)用于放大压电陶瓷堆栈(3)的拉伸距离，以使所述拉伸件(2)与第一热沉(4)相抵触，所述第一热沉(4)和拉伸件(2)分别与稀释制冷机的两个相邻的冷盘连接。

2.根据权利要求1所述的一种用于稀释制冷机的热开关装置，其特征在于：所述拉伸件(2)包括固定板(21)、柔性杆(22)以及拉伸杆(23)，所述固定板(21)沿外壳(1)长度方向设置有两个，其中一个所述固定板(21)固定设置于外壳(1)的内壁上且与冷盘连接；

所述柔性杆(22)设置有两对，两对所述柔性杆(22)均设置于两个固定板(21)相对的侧壁上，同一对所述柔性杆(22)沿固定板(21)的长度方向设置；

所述拉伸杆(23)与柔性杆(22)一一对应，且所述拉伸杆(23)固定设置于柔性杆(22)远离固定板(21)的一端。

3.根据权利要求2所述的一种用于稀释制冷机的热开关装置，其特征在于：同一对所述柔性杆(22)远离固定板(21)的一端相互靠近，同一对所述柔性杆(22)上的两个拉伸杆(23)远离柔性杆(22)的一端相互靠近。

4.根据权利要求2所述的一种用于稀释制冷机的热开关装置，其特征在于：所述拉伸件(2)还包括固定架(24)，所述固定架(24)固定设置于固定板(21)上，所述固定架(24)与固定板(21)一一对应，且所述固定架(24)设置于两个固定板(21)相对的一侧，所述压电陶瓷堆栈(3)固定设置于两个固定架(24)上。

5.根据权利要求2所述的一种用于稀释制冷机的热开关装置，其特征在于：沿所述外壳(1)长度方向设置的两个拉伸杆(23)之间设有第二热沉(25)，所述第二热沉(25)通过连接杆(26)与拉伸杆(23)连接。

6.根据权利要求5所述的一种用于稀释制冷机的热开关装置，其特征在于：所述第一热沉(4)和第二热沉(25)采用高导热材料制成。

7.根据权利要求6所述的一种用于稀释制冷机的热开关装置，其特征在于：所述第一热沉(4)和第二热沉(25)表面镀金。

8.根据权利要求1所述的一种用于稀释制冷机的热开关装置，其特征在于：所述外壳(1)采用低导热材料制成。

9.一种稀释制冷机，其特征在于，包括若干冷盘以及权利要求1-8所述的热开关装置，所述热开关装置设置于相邻两个冷盘之间。

10.一种量子计算机，其特征在于，包括权利要求9所述的稀释制冷机以及量子处理器，所述量子处理器设置于稀释制冷机的最底层。