CN117287866B - 热开关及稀释制冷机 - Google Patents

Abstract

本发明涉及低温技术领域，具体提供了一种热开关及稀释制冷机，热开关包括沿第一方向顺次布置的两个导体，两个导体的轴线的延伸方向相重合，具有响应于目标温度相接合的接触状态及响应于低于目标温度相脱离的分离状态；壳体套设于两个导体的相面对的近端的外侧，壳体和导体之间限定有适用于填充导热气体的密封腔；以及减振组件，设置于密封腔内部，能够响应于热开关的外部的振动提供与振动方向相反的力，以抵消至少一部分振动；其中壳体具有小于导体的导热率及热膨胀系数，以使导体响应与温度的变化在接触状态及分离状态之间调节。

Description

热开关及稀释制冷机

技术领域

本发明涉及低温技术领域，更具体地，涉及一种热开关及稀释制冷机。

背景技术

稀释制冷机是利用氦3、氦4混合液进行稀释制冷循环的毫开尔文级制冷设备，当氦3与氦4混合液处于0.86K的温度条件下，会分离成两相。其中，上层的主要成分包括氦3，被称为浓缩相；下层的主要成分包括氦3及氦4的混合液，被称为稀释相。在稀释制冷过程中，使用泵组将位于混合室下层的稀释相中的氦3抽出经室温气路系统循环，再次进入稀释制冷机内部，回到浓缩相。在此过程中，由于混合液需维持化学势平衡，位于浓缩相中的氦3原子会进入稀释相中，以补偿稀释相中的氦3浓度，该过程会吸热，从而使稀释制冷机具有制冷效果。

在稀释制冷机中，热开关子系统主要用于实现稀释制冷机各个冷盘热连接与热隔离的变化，例如，当Mixing Chamber（可译为混合室）冷盘温度大于4K时，热开关需要保持开启以使冷头与各个冷盘之间热连接充分；Mixing Chamber（可译为混合室）冷盘温度小于4K时，热开关需要断开以使冷盘保持低温状态。

在稀释制冷机工作过程中，冷头、气路系统和泵组等会产生干扰性的机械振动，对混合室冷盘下的样品区域造成影响。为此，如何减小热开关之外的稀释制冷机的其他机构所产生的振动，成为亟待解决的技术问题。

发明内容

鉴于上述问题，本发明提供了一种热开关及稀释制冷机，能够衰减机械振动对样品安装区域产生的影响，便于加工，导热效果好。

为了实现上述目的，作为本发明提供一种热开关，包括：沿第一方向顺次布置的两个导体，两个上述导体的轴线的延伸方向相重合，具有响应于目标温度相接合的接触状态及响应于低于上述目标温度相脱离的分离状态；壳体，套设于两个上述导体的相面对的近端的外侧，上述壳体及上述导体之间限定有适用于填充导热气体的密封腔；以及减振组件，设置于上述密封腔内，被构造成响应于上述热开关的外部的振动提供与振动方向相反的力，以抵消至少一部分振动；其中，上述壳体被配置成具有小于上述导体的导热率及热膨胀系数，以使上述导体响应于温度的变化在上述接触状态及上述分离状态之间调节。

在一种示意性的实施例中，上述减振组件的固有频率被配置为外部的振动的频率的正整数倍，适用于抵消沿上述第一方向传输的至少一部分振动。

在一种示意性的实施例中，上述减振组件包括：弹簧，上述弹簧的一端连接于上述壳体的上部，另一端向下延伸；以及质量块，安装于上述弹簧的另一端上，以悬设于上述密封腔内。

在一种示意性的实施例中，还包括设置于上述密封腔内的吸附组件，适用于在低于上述目标温度的状态下吸附上述导热气体，并在处于及高于上述目标温度的状态下释放上述导热气体，以调节两个上述导体的状态。

在一种示意性的实施例中，上述吸附组件包括活性炭。

在一种示意性的实施例中，上述活性炭被构造成布状结构，包覆于至少一个上述导体的位于上述密封腔内的部分的外侧。

在一种示意性的实施例中，上述壳体包括：分别套设于两个上述导体上的两个连接件；以及套管，设置于两个上述连接件之间，并罩设于两个上述导体的外侧。

在一种示意性的实施例中，至少一个上述连接件上设置有将上述密封腔与上述热开关的外部相连通的导气孔，适用于向上述密封腔内充入及抽出上述导热气体。

本发明还提供了一种稀释制冷机，包括沿第一方向平行间隔设置的冷盘及底座；以及如上述任一实施例所述的热开关，上述热开关的两个上述导体中的一个通过延伸柱连接于上述冷盘上，另一个连接于上述底座上，并使上述导体与上述冷盘或上述底座形成热传导。

在一种示意性的实施例中，上述延伸柱通过弹性件与上述冷盘连接，以使上述热开关弹性的悬设于上述冷盘的下方；上述延伸柱和上述冷盘之间通过多个导热件形成热传导。

本发明所提供的热开关及稀释制冷机，基于导体及壳体具有不同的导热率及热膨胀系数，可响应于温度条件的变化使热开关开启或关断。其中，在不高于目标温度的条件下，两个导体处于相脱离的分离状态，以使热开关关断；在高于目标温度的条件下，两个导体处于相接合的接触状态，以使热开关开启。热开关适用于将稀释制冷机的其他结构与混合室冷盘上的样品区域进行隔离，以起到隔离振动的作用，并基于所配置的减振组件起到吸收振动的目的，从而减小样品区域受到的振动影响。

附图说明

通过以下参照附图对本发明实施例的描述，本发明的上述内容以及其他目的、特征和优点将更为清楚，在附图中：

图1是本发明所提供的一种示意性实施例的热开关的立体图；

图2是图1所示的示意性实施例的热开关去除套管部分的立体图，示出了减振组件；

图3是本发明所提供的稀释制冷机的示意图。

上述附图中，附图标记含义具体如下：

1、导体；

2、壳体；

21、连接件；

210、导气孔；

22、套管；

3、减振组件；

31、弹簧；

32、质量块；

4、吸附组件；

41、活性炭；

5、冷盘；

6、底座；

7、延伸柱；

71、弹性件；

72、导热件。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实 施例，并参照附图，对本发明作进一步的详细说明。在此使用的术语仅仅是为了描述具体实施例，而并非意在限制本发明。

在此使用的术语“包括”、“包含”等表明了所述特征、步骤、操作和/或组件的存在，但是并不排除存在或添加一个或多个其他特征、步骤、操作或组件。在此使用的所有术语包括技术和科学术语具有本领域技术人员通常所理解的含义，除非另外定义。应注意，这里使用的术语应解释为具有与本说明书的上下文相一致的含义，而不应以理想化或过于刻板的方式来解释。

在本文中，除非另有特别说明，诸如“上”、“下”、“左”、“右”、“内”、“外”等方向性术语用于表示基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明，而不是指示或暗示所指的装置、元件或组件件必须具有特定的方位、以特定的方位构造或操作。需要理解的是，当被描述对象的绝对位置改变后，则它们表示的相对位置关系也可能相应地改变。因此，这些方向性术语不能理解为对本发明的限制。

在使用类似于“A、B和C等中至少一个”这样的表述的情况下，一般来说应该按照本领域技术人员通常理解该表述的含义来予以解释例如，“具有A、B和C中至少一个的系统”应包括但不限于单独具有A、单独具 有B、单独具有C、具有A和B、具有A和C、具有B和C、和/或具有A、B、C的系统等。在使用类似于“A、B或C 等中至少一个”这样的表述的 情况下，一般来说应该按照本领域技术人员通常理解该表述的含义来予以 解释例如，“具有A、B或C中至少一个的系统”应包括但不限于单独具 有A、单独具有B、单独具有C、具有A和B、具有A和C、具有B和C、和/或具有A、B、C 的系统等。

超导量子计算技术作为最有可能实现通用量子计算的技术方案，目前越来越受到研究人员的重视。超导量子比特是超导量子计算处理器中，实现量子态操纵与读取，以及调控量子逻辑门的主要元件，其主要工作在30mK以下温区，需配置于由稀释制冷机提供的极低温环境中。

低频1/f噪声是影响超导量子比特性能的主要因素，其中，磁通噪声往往会影响量子比特的退相位时间。而来自低频机械信号是造成上述磁通噪声的主要来源之一，如由脉管冷头振动产生的1.4Hz倍频信号，气路其他与泵组产生的数十赫兹的信号（具体与泵组型号有关）。

为此，如何减小热开关之外的稀释制冷机的其他部件所产生的振动，成为亟待解决的技术问题。

有鉴于此，本发明的实施例基于同样的发明构思提供一种热开关及稀释制冷机。

图1是本发明所提供的一种示意性实施例的热开关的立体图。

本发明的示意性实施例提供一种热开关，如图1所示，包括沿第一方向顺次布置的两个导体1、壳体2及减振组件3。两个导体1的轴线的延伸方向相重合，具有响应于目标温度相接合的接触状态及响应于低于目标温度相脱离的分离状态。壳体2套设于两个导体1的相面对的近端的外侧，壳体2和导体1之间限定有适用于填充导热气体的密封腔。减振组件3设置于密封腔内部，能够响应于热开关的外部的振动提供与振动方向相反的力，以抵消至少一部分振动。其中，壳体2具有小于导体1的导热率及热膨胀系数，以使导体1响应与温度的变化在接触状态及分离状态之间调节。

在一种示意性的实施例中，目标温度包括但不限于10K（开尔文）。这样的实施方式中，热开关适用于在低于或等于10K的温度条件下，使两个导体1处于相脱离的分离状态，并在高于10K的温度条件下（如大于或等于10K，并小于300K）使两个导体1处于相结合的接触状态。应当理解，本发明的实施例不限于此。

上述目标温度包括但不限于20K、30K及其他任一温度值（如10mK（毫开尔文）、20mK（毫开尔文）），以满足稀释制冷机的控制要求为宜。

在这样的实施方式中，基于导体1及壳体2具有不同的导热率及热膨胀系数，可响应于温度条件的变化使热开关开启或关断。其中，在不高于目标温度的条件下，两个导体1处于相脱离的分离状态，以使热开关关断；在高于目标温度的条件下，两个导体1处于相接合的接触状态，以使热开关开启。热开关适用于将稀释制冷机的其他机构与冷盘5上的样品区域进行隔离，以起到隔离振动的作用，并基于所配置的减振组3件起到吸收振动的目的，从而减小样品区域受到的振动影响。

在一种示意性的实施例中，壳体2被配置成具有小于导体1的导热率及热膨胀系数，这样在处于目标温度及低于目标温度的不同使用场景时，基于壳体2及导体1的不同收缩率，可使两个导体1互相结合或分离。

例如，壳体2包括但不限于采用不锈钢材质制成；相应的，导体1包括但不限于采用铜材质制成。

根据本发明的实施例，减振组件3的固有频率被配置为外部的振动的频率的正整数倍，适用于抵消沿第一方向传输的至少一部分振动。

在一种示意性的实施例中，减振组件3的固有频率包括但不限于基于有限元分析方法，通过对热开关的材料、质量、几何结构、弹性模量及其他系数仿真进行仿真计算。进一步的，导体1及壳体2的固有频率应被配置成与减振组件3的固有频率不同，从而避免影响减振效果。

图2是图1所示的示意性实施例的热开关去除套管22部分的立体图，示出了减振组件3。

根据本发明的实施例，如图2所示，第一方向包括但不限于竖直方向，两个导体1沿竖直方向顺次布置且二者的轴线的延伸方向相重合。

在一种示意性的实施例中，如图2所示，导体1具有适用于连接冷盘5或底座6的第一部，还具有适用于接合另一导体1的第二部，及形成于第一部及第二部之间的过渡部。详细地，导体1的第一部及第二部被构造成大致柱形的结构。进一步的，第一部及第二部的轴线的延伸方向被构造成大致重合。

在一种示意性的实施例中，如图2所示，过渡部被构造成条形结构，一体形成于第一部及第二部之间。进一步的，过渡部的厚度和/或宽度被构造成小于第一部及第二部的直径，以使过渡部形成凹陷结构。

根据本发明的实施例，如图2所示，减振组件3包括弹簧31和质量块32。详细地，弹簧31的一端连接于壳体2的上部，另一端沿竖直方向向下延伸，用于连接质量块32，且质量块32悬设于密封腔内。

在一种示意性的实施例中，弹簧31的一端（如图2所示的上端）安装于导体1的第一部与第二部相面对的端面上（即图2中的第一部的下端面）。详细地，弹簧31的轴线的延伸方向被构造成与导体1的第一部的轴线的延伸方向大致平行，质量块32悬设于弹簧31的另一端（如图2所示的下端），以使减振组件3布置于一个导体1的第一部及第二部之间。

这样的实施方式中，导体1所配置的第一部及第二部的截面积被构造成大于过渡部，可使第一部与冷盘5或底座6及第二部与另一导体1具有较大的热接触面积，而较小的过渡部则有利于使导体1对温度的变化更为敏感，有利于与另一导体1接合或分离。

在一种示意性的实施例中，弹簧31的劲度系数依据下式（1）计算：

（1），

式（1）中，f表征为减振组件3的固有频率，m表征为质量块32的质量，k表征为弹簧31的劲度系数。

根据本发明的实施例，如图2所示，热开关还包括设置于密封腔内的吸附组件4，适用于在低于目标温度的状态下吸附导热气体，并在处于及高于目标温度的状态下释放导热气体，以调节两个导体1的状态。

根据本发明的实施例，如图2所示，吸附组件4包括但不限于采用活性炭41。

根据本发明的实施例，如图2所示，活性炭41被构造成布状结构，包覆于至少一个导体1的位于密封腔内的部分的外侧。

根据本发明的实施例，如图2所示，至少一个连接件21上设置有将密封腔与热开关的外部相连通的导气孔210，适用于向密封腔内充入及抽出导热气体。

在一种示意性的实施例中，如图2所示，吸附组件4设置于两个导体1中的一个上。详细地，适用于布置吸附组件4的导体1的过渡部设置有凹槽。进一步的，被构造成布状结构的活性炭41包覆于该凹槽内。

在一种示意性的实施例中，位于活性炭41的外侧布置有网形件。详细地，网形件包括但不限于采用与导体1相同的材质制成（如铜丝编织形成）。进一步的，网形件围绕活性炭41设置，以将活性炭41限制于过渡部形成的凹槽内，网形件的外表面被构造成与过渡部的表面大致平齐。应当理解，本发明的实施例不限于此。

例如，吸附组件4可分别设置于两个导体1上。

再如，吸附组件4可设置于密封腔的内壁上。

在一种示意性的实施例中，以密封腔内填充有3.2mmol的导热气体为例，其中，导热气体包括但不限于采用氦4或氦3。相应的，活性炭41可被配置成0.2g至0.5g（克）。

这样的实施方式中，活性炭41被构造成布状结构，并缠绕于导体1的外侧，可使活性炭41形成较大的展开面积，有利于吸附和/或释放导热气体。基于密封腔的密封作用及活性炭41响应于温度变化的吸附及释放作用，当热开关本体处于目标温度以下的状态下，活性炭41可吸附密封腔内的导热气体，直至密封腔内达到大致真空的状态，使两个导体1保持在分离状态；当热开关处于目标温度的状态下，活性炭41响应于导体1的温度上升释放出导热气体，以使导热气体填充至密封腔内，以与另一导体1形成热量的传递，使两个导体1发生膨胀，并调节至相接合的接触状态。这样，使得密封腔可脱离外部的充/放气装置完成导热气体的吸附及释放，不需配置额外的泵组。

根据本发明的实施例，如图2所示，壳体2包括两个连接件21及套管22。两个连接件21分别套设于两个导体1上。套管22设置于两个连接件21之间，并罩设于两个导体1的外侧。

在一种示意性的实施例中，如图2所示，连接件21被构造成中空的管形结构，设置有适用于容纳导体1的第一部伸出的通孔。详细地，导体1的第一部由连接件21设置的通孔伸出，导体1与通孔的内缘的接合部分采用银焊接连接，以使导体1与通孔相密封。

在一种示意性的实施例中，如图2所示，连接件21的外缘沿径向向外凸出形成凸缘。详细地，两个连接件21的相面对的端面分别抵压在套管22的轴向两端。进一步的，连接件21与套管22包括但不限于采用氩弧焊连接，以使连接件21、套管22及导体1之间形成密封腔。

在一种示意性的实施例中，以铜材质制成的导体1及采用不锈钢材质制成的壳体2（包括连接件21及套管22）采用下述加工方式进行装配形成热开关，包括操作S100-操作S150。

操作S100：加工导体1、连接件21及套管22。

操作S110：对导体1、连接件21及套管22进行初次清洗，以获得导体1、连接件21及套管22的初加工件。

操作S120：对初加工件进行精加工，以得到导体1、连接件21及套管22的精加工件。

操作S130：将导体1与连接件21进行焊接，并配置减振组件3及吸附组件4。

操作S140：将连接件21与套管22焊接，形成预组装件。

操作S150：将预组装件的密封腔抽至真空，并充入导热气体进行密封，以形成热开关。

在一种示意性的实施例中，操作S100包括：操作S101：采用粗坯加工导体1、连接件21及套管22；操作S102：对粗胚加工的导体1、连接件21及套管22进行去毛刺、酸洗及抛光。其中，导体1的尺寸应大于计算出的理论值，以克服焊接带来的影响，并且，导体1上应预留设置减振组件3的空间（即形成过渡部）。

在一种示意性的实施例中，操作S110包括：操作S111：将粗胚加工的导体1、连接件21及套管22放入水中使用超声波清洗30分钟，以获得导体1、连接件21及套管22的初加工件。

在一种示意性的实施例中，操作S120包括：操作S121：将导体1、连接件21及套管22的初加工件再次放入水中使用超声波清洗30分钟；操作S122：将导体1、连接件21及套管22的初加工件放入异丙醇进行超声波清洗，以去除表面油污；操作S123：对导体1、连接件21及套管22的初加工件进行多次打磨以去除导体1、连接件21及套管22的初加工件的氧化层；操作S124：将导体1、连接件21及套管22的初加工件放入异丙醇再次进行超声波清洗，并进行烘干以得到精加工件。其中，操作S124中，通过真空烘箱进行烘干，烘干温度包括但不限于80℃，烘干时间包括但不限于10小时，真空度小于或等于0.1mbar。

在一种示意性的实施例中，操作S130包括：操作S131：将导体1与连接件21进行银焊接，并配置减振组件3及吸附组件4。

在一种示意性的实施例中，操作S140包括：操作S141：将连接件21与套管22采用氩弧焊焊接。

在一种示意性的实施例中，操作S150包括：将充入导热气体的连接管压扁，并从最扁平的位置切下，再使用软焊料封堵，以完成导热气体的注入及密封。应当理解，本发明的实施例不限于此。

例如，将导体1及壳体2进行装配形成热开关的步骤中还应包括对密封腔的密封性进行测试。

具体的，包括但不限于真空测试及4K-10K充气测试。

再如，还包括对热开关的热导率随温度的变化曲线进行测试。

具体的，包括但不限于下述指标，如200K条件下，热开关的热漏大于200mW/K；5K条件下热开关的热漏小于0.1mW/K。

图3是本发明所提供的稀释制冷机的示意图。

本发明还提供一种稀释制冷机，如图3所示，包括冷盘5、底座6及热开关。冷盘5及底座6沿第一方向平行间隔设置。热开关的两个导体1中的一个通过延伸柱7连接于冷盘5上，另一个连接于底座6上，并使导体1与冷盘5或底座6形成热传导。

在一种示意性的实施中，稀释制冷机还包括延伸柱7。详细地，延伸柱7被构造成与导体1连接，适用于将导体1与外部的加热器（如铝壳电阻加热器），并形成热传导。应当理解，本发明的实施例不限于此。

例如，还可在延伸柱7上缠绕电阻丝，以实现对导体1的加热。

在另一种示意性的实施例中，如图3所示，稀释制冷机还包括弹性件71，弹性件71悬设于冷盘5下方。

根据本发明的实施例，如图3所示，延伸柱7通过弹性件71与冷盘5连接，以使热开关弹性的悬设于冷盘5的下方。延伸柱7和冷盘5之间通过多个导热件72形成热传导。

示例性的，弹性件71包括但不限于弹簧，导热件72包括但不限于软铜辫，以对振动进一步的衰减和滤除。

在一种示意性的实施例中，图中未示出，稀释制冷机还包括夹具。详细地，夹具被构造成可开合的板状结构，适用于嵌合于热开关的外侧，以将热开关连接于冷盘5上。

进一步的，为提升夹具与热开关的导体1之间的导热效果，在夹具与导体1的结合位置还涂注有导热胶（如Ngrease导热胶）。

本领域技术人员可以理解，本发明的各个实施例和/或权利要求中记载的特征可以进行多种组合或/或结合，即使这样的组合或结合没有明确记载于本发明中。特别地，在不脱离本发明精神和教导的情况下，本发明的各个实施例和/或权利要求中记载的特征可以进行多种组合和/或结合。所有这些组合和/或结合均落入本发明的范围。

以上对本发明的实施例进行了描述。但是，这些实施例仅仅是为了说明的目的，而并非为了限制本发明的范围。尽管在以上分别描述了各实施例，但是这并不意味着各个实施例中的措施不能有利地结合使用。本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。不脱离本发明的范围，本领域技术人员可以做出多种替代和修改，这些替代和修改都应落在本发明的范围之内。

Claims (10)

1.一种热开关，其特征在于，包括：

沿第一方向顺次布置的两个导体（1），两个所述导体（1）的轴线的延伸方向相重合，具有响应于目标温度相接合的接触状态及响应于低于所述目标温度相脱离的分离状态；

壳体（2），套设于两个所述导体（1）的相面对的近端的外侧，所述壳体（2）及所述导体（1）之间限定有适用于填充导热气体的密封腔；

减振组件（3），设置于所述密封腔内，被构造成响应于所述热开关的外部的振动提供与振动方向相反的力，以抵消至少一部分振动；

其中，所述壳体（2）被配置成具有小于所述导体（1）的导热率及热膨胀系数，以使所述导体（1）响应于温度的变化在所述接触状态及所述分离状态之间调节。

2.根据权利要求1所述的热开关，其特征在于，所述减振组件（3）的固有频率被配置为外部的振动的频率的正整数倍，适用于抵消沿所述第一方向传输的至少一部分振动。

3.根据权利要求2所述的热开关，其特征在于，所述第一方向包括竖直方向；

所述减振组件（3）包括：

弹簧（31），所述弹簧（31）的一端连接于所述壳体（2）的上部，另一端向下延伸；

质量块（32），安装于所述弹簧（31）的另一端上，以悬设于所述密封腔内。

4.根据权利要求1至3中任一所述的热开关，其特征在于，还包括设置于所述密封腔内的吸附组件（4），适用于在低于所述目标温度的状态下吸附所述导热气体，并在处于及高于所述目标温度的状态下释放所述导热气体，以调节两个所述导体（1）的状态。

5.根据权利要求4所述的热开关，其特征在于，所述吸附组件（4）包括活性炭（41）。

6.根据权利要求5所述的热开关，其特征在于，所述活性炭（41）被构造成布状结构，包覆于至少一个所述导体（1）的位于所述密封腔内的部分的外侧。

7.根据权利要求1至3中任一所述的热开关，其特征在于，所述壳体（2）包括：

分别套设于两个所述导体（1）上的两个连接件（21）；

套管（22），设置于两个所述连接件（21）之间，并罩设于两个所述导体（1）的外侧。

8.根据权利要求7所述的热开关，其特征在于，至少一个所述连接件（21）上设置有将所述密封腔与所述热开关的外部相连通的导气孔（210），适用于向所述密封腔内充入及抽出所述导热气体。

9.一种稀释制冷机，其特征在于，包括：

沿第一方向平行间隔设置的冷盘（5）及底座（6）；

如权利要求1-8中任一项所述的热开关，所述热开关的两个所述导体（1）中的一个通过延伸柱（7）连接于所述冷盘（5）上，另一个连接于所述底座（6）上，并使所述导体（1）与所述冷盘（5）或所述底座（6）形成热传导。

10.根据权利要求9所述的稀释制冷机，其特征在于，所述延伸柱（7）通过弹性件（71）与所述冷盘（5）连接，以使所述热开关弹性的悬设于所述冷盘（5）的下方；

所述延伸柱（7）和所述冷盘（5）之间通过多个导热件（72）形成热传导。