CN1322285C - 低温工作物品的冷却装置 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种低温工作物品的冷却装置，具有冷冻机和设在该冷冻机上的冷却头。第1珀尔帖元件与该冷却头热接触并被固定在其上，第2珀尔帖元件与该冷却头热接触并被固定在其上。可以将第1物品布置成与该第1珀尔帖元件热接触，可以将第2物品布置成与该第2珀尔帖元件热接触。通过冷冻机使冷却头形成低温，再分别通过第1珀尔帖元件和第2珀尔帖元件对第1物品和第2物品进行温度控制，以将其冷却为不同的温度。

Description

低温工作物品的冷却装置
技术领域
本发明涉及一种例如在100K以下温度工作的多个物品的冷却装置。本发明特别涉及可以在分别进行了微调整的温度下冷却多个电子器件和电子电路单元的冷却装置。
背景技术
为了冷却例如在100K以下温度工作的超导体，使用脉冲管冷冻机或斯特林冷冻机等的冷冻机。例如，特开2001-144635号公报公开了使用脉冲管冷冻机来冷却无线接收机的技术。该无线接收机包括接收频带滤波器和接收低噪声放大器。另外，在该公报中，在冷冻机上固定有珀尔帖元件，在珀尔帖元件上固定有接收频带滤波器和接收低噪声放大器，从而可以将无线接收机冷却到比冷冻机所产生的低温更低的低温。由此，不必增强冷冻机的冷却能力，即可消除无线接收机产生的热量，使无线接收机在更低的温度下工作。
最近，产生了这样的要求：将包括超导体的电路装置的温度降至低温并且精确地控制该低温。特别是在一个电路装置内包括多个电子器件或电子电路单元的情况下，要求在相互不同并且相互接近的温度下冷却这些电子器件或电子电路单元。
为了满足这些要求，需要使用多档冷冻机，或使用多个冷冻机。例如，在使用两档冷冻机时，在低温箱等的真空空间中，将一档冷却端(冷却头)的温度设为约20K，将二档冷却头的温度设为约70K，将第1被冷却物品设置在一档冷却头，将第2被冷却物品设置在二档冷却头。根据需要设置温度传感器和加热器，将温度传感器和加热器的布线引出到真空容器外部，并与配置于真空容器外部的控制装置连接。这样，把第1被冷却物品和第2被冷却物品分别控制到所期望的温度。
在使用多个冷冻机时，将冷冻机的数量设置为与多个被冷却物品的数量相同，并且利用各个冷冻机来冷却多个被冷却物品。在该情况下，与多档式冷冻机相同，根据需要设置温度传感器和加热器，利用控制装置将多个被冷却物品分别控制到所期望的温度。
在这些方法中，为了将多个被冷却物品冷冻为不同的温度，使用结构复杂的冷冻机或使用多个冷冻机，所以整体结构变得复杂，或需要扩大低温箱的空间。并且，在需要把多个被冷却物品放置在相接近的位置时，存在许多不便之处。另外，在需要的冷却温度差较小、约为5～30K时，必须使用结构复杂的冷冻装置，因此，被冷却物品的布置受到约束。
发明内容
本发明的目的在于，提供一种低温工作物品的冷却装置，能够将在例如100K以下温度工作的多个物品精确地冷却为相互不同且相互接近的温度。
本发明的低温工作物品的冷却装置，包括：冷冻机；设在该冷冻机上的冷却头；与该冷却头热接触并被固定在其上的第1珀尔帖元件；与该冷却头热接触并被固定在其上的第2珀尔帖元件，可以将第1物品布置成与该第1珀尔帖元件热接触，可以将第2物品布置成与该第2珀尔帖元件热接触，将该第1物品和第2物品冷却为不同的温度。
根据该结构，通过冷冻机使冷却头形成低温，分别通过第1珀尔帖元件和第2珀尔帖元件对第1物品和第2物品进行温度控制，以在不同温度下对物品进行冷却。因此，能够将高频电路部件和快速数字电路部件等多个被冷却物品精确地冷却为相互不同且相互接近的温度。
附图说明
图1是表示本发明的实施例的低温工作物品的冷却装置的概要图。
图2是示出了包括图1的冷却头部分的放大图。
图3是表示使用本发明的高频接收信号数字转换-解调装置的示例图。
图4是表示图3的高频数字转换装置的结构图。
具体实施方式
图1是表示本发明的实施例的低温工作物品的冷却装置的图。冷却装置10包括构成低温箱的真空容器12和冷冻机14(由20、22、18、16等构成)。冷冻机14例如由脉冲管冷冻机构成。也可以使用除脉冲管冷冻机以外的其他冷冻机，例如斯特林冷冻机。冷冻机14包括压缩机16、膨胀器18、和作为膨胀器18的一部分的柱状支柱20。压缩机16使充入膨胀器18内部的氦气等气体振动，通过柱状支柱20中的气体的膨胀压缩作用来形成低温。
在柱状支柱20的前端设置有冷却端(冷却头)22。第1珀尔帖元件24与冷却头22热接触并被固定在其上，第2珀尔帖元件26与冷却头22热接触并被固定在其上。将第1珀尔帖元件24和第2珀尔帖元件26布置在接近相同冷却头22的位置处。该示例的冷却装置10构成为对两个物品进行冷却，但是通过增加珀尔帖元件的数量，当然可以冷却两个以上物品。
第1物品28与第1珀尔帖元件24热接触并被固定在其上，第2物品30与第2珀尔帖元件26热接触并被固定在其上。例如，第1物品28和第2物品30分别具有长方体形状的外观，高度为1～5cm，宽度和深度分别约为2～10cm。第1珀尔帖元件24和第2珀尔帖元件26分别呈平板状形状，厚度为0.1～1cm，边长约为0.5～5cm。
将冷冻机14的柱状支柱20、冷却头22、第1珀尔帖元件24、第2珀尔帖元件26、第1物品28和第2物品30收容在真空容器12的内部。将控制装置32布置在真空容器12的外部。根据未图示的温度传感器的输出利用控制装置32控制冷冻机14、第1珀尔帖元件24和第2珀尔帖元件26。此时，通过冷冻机14使冷却头22形成低温，再分别通过第1珀尔帖元件24和第2珀尔帖元件26对第1物品28和第2物品30进行温度控制，以将其冷却为不同的温度。由此，能够将高频电路部件和快速数字电路部件等多个被冷却物品精确地冷却为相互不同且相互接近的温度。
图3是表示使用本发明的高频接收信号数字转换-解调装置的示例图。在图3中，高频接收信号数字转换-解调装置包括：输入所接收的RF(射频)信号的RF信号数字转换装置34；与RF信号数字转换装置34相连的解调电路36。图4是表示图3的RF信号数字转换装置34的图。在图4中，RF信号数字转换装置34包括低噪声高频放大器(LNA)38和超导ADC 40。超导ADC 40是使用高温超导SFQ(单磁通量子)电路的ADC(模拟-数字信号转换器)，LNA 38具有低温下噪声变小的特性。超导ADC 40相当于图1的第1物品28，LNA 38相当于图1的第2物品30。另外，本发明不仅适用于高频接收装置，也适用于使用其他超导体的装置、使用半导体的高频电路或快速数字电路。
图2是示出了包括图1的冷却头部分的放大图。将支撑板(金属块)42隔着厚度为0.1～0.2mm的铟片(In片)44固定在冷却头22上。在支撑板42内部嵌有加热器46和温度传感器48。加热器46与导线46a连接，温度传感器48与导线48a连接。在保持良好气密性的情况下将导线46a、48a从真空容器12(图1)内部引出到真空容器12外部，并连接到控制装置32。
通过冷冻机14对支撑板42进行冷却，以使其温度大致到达设定值附近。利用温度传感器48检测支撑板42的温度，并利用加热器46将温度调节成设定值。铟片44在低温下具有可塑性，象在常温下使用的热脂那样，其提高了冷却头22和支撑板42的热接触。也可以使用石墨片等具有相同作用的片来代替铟片44。并且，虽然图2中未示出，也可以在其他部件之间的接合部使用与铟片44相同的片。
将第1珀尔帖元件24和第2珀尔帖元件26固定于支撑板42，以隔着支撑板42与冷却头22热接触。第1珀尔帖元件24与两根导线24a连接，第2珀尔帖元件26与两根导线26a连接。第1和第2珀尔帖元件24、26具有PN结。当电流分别流过第1和第2珀尔帖元件24、26时，一个表面成为吸热面(低温面)，另一个表面成为发热面(高温侧)。优选地，将第1珀尔帖元件24和第2珀尔帖元件26的各自的吸热面固定在支撑板42上，因此，将吸热面设置为与冷却头22热接触。在该情况下，第1物品28和第2物品30的温度高于支撑板42的温度。
将第1金属块50设置在第1珀尔帖元件24的位于冷却头22的相反一侧的表面上(发热面)，并且隔着第1金属块50将第1物品28安装在第1珀尔帖元件24上。将第2金属块52设置在第2珀尔帖元件26的位于冷却头22的相反一侧的表面上(发热面)，并且隔着第2金属块52将第2物品30安装在第2珀尔帖元件26上。第1金属块50和第2金属块52分别用作为第1物品28和第2物品30的支撑台。
为了把第1物品28固定在支撑板42上，在支撑板42与第1金属块50之间，与第1珀尔帖元件24平行地设置筒状垫块54。在该实施例中，在第1珀尔帖元件24周围设置有4个垫块54。可以在第2珀尔帖元件26周围设置与垫块54相同的垫块。在该实施例中，因为第1物品28比较重，所以将垫块设置在第1珀尔帖元件24的周围，使得第1珀尔帖元件24不会承受过度的负载。
在第1金属块50内部嵌有加热器56和温度传感器58。加热器56与导线56a连接，温度传感器58与导线58a连接。同样，在第2金属块52内部嵌有加热器60和温度传感器62。加热器60与导线60a连接，温度传感器62与导线62a连接。在保持良好气密性的情况下将导线24a、26a、56a、58a、60a、62a从真空容器12(图1)内部引出到真空容器12的外部，并连接到控制装置32。加热器46、56、60呈桶状，各加热器具有两根导线。
温度传感器58对与第1珀尔帖元件24热接触的第1物品28的温度进行检测，温度传感器62对与第2珀尔帖元件26热接触的第2物品30的温度进行检测。针对支撑板42的温度，借助第1珀尔帖元件24和第2珀尔帖元件26的作用来调节第1物品28和第2物品30的温度。因为将第1珀尔帖元件24和第2珀尔帖元件26的吸热面固定在支撑板42上，所以第1物品28和第2物品30的温度高于支撑板42的温度。并且，根据需要，使用加热器56、60将第1物品28和第2物品30的温度更精确地调节为设定值。
在本发明中，因为第1物品28和第2物品30分别通过第1珀尔帖元件24和第2珀尔帖元件26与支撑板42热接触，所以能够将第1物品28的温度和第2物品30的温度精确地冷却为相互不同且相互接近的温度。例如，可以将支撑板42的温度控制为70K，将第1物品28的温度控制为75K，将第2物品30的温度控制为72K。而且，可以使用传统的单一冷冻机14。
利用铜(无氧铜)和铝等导热性良好的金属制成冷却头22、支撑板42、第1金属块50、和第2金属块52。例如利用螺钉进行各部件之间的安装。
另一方面，垫块54是利用低导热性的材料制成的。优选地，只通过第1珀尔帖元件24使热量从支撑板42传递到第1金属块50，即，不通过垫块传递热量。优选地，利用在100K以下3K以上的工作温度范围内的导热率为1W/(cm·K)的材料形成垫块54。例如，利用从不锈钢、殷钢(invar)、科瓦铁镍钴合金(kovar)、黄铜、Ti-V合金、铜-Ni合金、PI(聚酰亚胺)、芳香族聚酰胺树脂(aramid resin)、PMMA(聚甲基丙烯酸甲酯)、PTFE(聚四氟乙烯)、聚碳酸酯(poly carbonate)、玻璃环氧树脂、玻璃PTFE树脂的组中选出的至少一个，或者它们的复合材料来形成垫块54。
总之，本发明使多个珀尔帖元件24、26的吸热面与通过冷冻机14或制冷剂冷却的冷却端热接触，使多个被冷却物28、30与这些珀尔帖元件24、26的发热面热接触，利用设置在这些被冷却物28、30的附近并与其热接触的温度传感器58、62来检测各个物品的温度，利用控制装置32驱动各个珀尔帖元件24、26，从而将各个被冷却物28、30调节到预定的温度。
可以通过对由冷冻机14或制冷剂冷却的冷却端进行温度控制来确定被冷却物28、30的基础温度，并且在电流不流过珀尔帖元件24、26时，由从绝热真空容器12外部侵入的热量和由被冷却物28、30产生的热量，以及被冷却物28、30与冷却端之间的热阻来控制，但是将其抑制为略高于冷却端的温度(0～10K范围的温度差)。
在不驱动各个珀尔帖元件24、26时，真空容器12与其外部的绝热性能越高，以及被冷却物28、30的发热越小，则越能够抑制各个被冷却物28、30与冷却端之间的温度差。以该温度状态为基础，在被冷却物28、30的温度低于预定温度时，驱动珀尔帖元件24、26进行工作以加热被冷却物侧。
将控制装置32设置在真空容器12的外部，例如可以以0.01K的分解能(resolution)执行温度控制。在可以电变化冷冻机的输出时，不一定需要对加热器46进行温度控制。根据该实施例，在使第1物品28和第2物品30相互接近的状态下，在冷却头22的基础温度70K下，能够以0.01K的控制分解能来稳定地实现0～5K范围的温度差。在第1物品28和第2物品30中分别内置有谐振频率依赖于温度的谐振器时，在各个物品28和30中，可以相互独立地改变频率。由于可以相互接近地布置第1物品28和第2物品30，所以能够降低传递损耗。并且，因为珀尔帖元件24、26的吸热面热接触冷冻机侧的冷却端，所以即使通过第1和第2珀尔帖元件24、26加热被冷却物28、30时，也能够抑制冷冻机14的负载的增加。例如，当珀尔帖元件24、26的吸热面热接触冷冻机侧的冷却端时，支撑板42从珀尔帖元件24、26接受热量。
并且，通过真空容器12外部的控制装置32进行各个温度传感器48、58、62的计测，根据这些结果驱动第1和第2珀尔帖元件24、26以达到各自需要的温度控制值。在第1物品28和第2物品30的温度低于设定温度时，驱动第1和第2珀尔帖元件24、26进行工作以加热第1物品28和第2物品30。并且，采用PID(比例积分微分)控制方式对第1和第2珀尔帖元件24、26、加热器46、56、60、和冷冻机14进行温度控制，并且在各个控制装置的输出端中分别设置限制器，使得不会进行过驱动。
如上所述，根据本发明，可以实现在100K以下的温度下工作的多个工作器件和电子电路单元等中，在使这些器件和单元等的冷却温度相接近的状态下，将温度差控制为0～30K左右、特别是控制在0～5K左右范围的冷却装置。

Claims (12)

1.一种用于低温工作物品的冷却装置，包括：冷冻机；设在该冷冻机上的冷却头；与该冷却头热接触并被固定在其上的第1珀尔帖元件；与该冷却头热接触并被固定在其上的第2珀尔帖元件，其中，将第1物品布置成与该第1珀尔帖元件热接触，将第2物品布置成与该第2珀尔帖元件热接触，并且在不同温度下对该第1物品和第2物品进行冷却。
2.根据权利要求1所述的冷却装置，其特征在于，所述第1珀尔帖元件和所述第2珀尔帖元件被布置成使各自的吸热面朝向所述冷却头。
3.根据权利要求1所述的冷却装置，其特征在于，还包括：用于检测与该第1珀尔帖元件热接触的第1物品的温度的传感器；用于检测与该第2珀尔帖元件热接触的第2物品的温度的传感器。
4.根据权利要求3所述的冷却装置，其特征在于，在所述第1珀尔帖元件的位于所述冷却头的相反一侧的表面上设置有第1金属块，并且隔着该第1金属块将第1物品安装在所述第1珀尔帖元件上，在所述第2珀尔帖元件的位于所述冷却头的相反一侧的表面上设置有第2金属块，并且隔着该第2金属块将第2物品安装在所述第2珀尔帖元件上，所述传感器被分别配置在所述第1金属块和第2金属块上。
5.根据权利要求4所述的冷却装置，其特征在于，在所述第1金属块和第2金属块上分别设置有加热器。
6.根据权利要求4所述的冷却装置，其特征在于，在所述冷却头与所述第1金属块和第2金属块的至少一个之间、至少与所述第1珀尔帖元件和第2珀尔帖元件中的相对应的一个相平行地设置有导热性低的构件。
7.根据权利要求1所述的冷却装置，其特征在于，在所述冷却头与所述第1珀尔帖元件和第2珀尔帖元件之间设置有第3金属块，并且在所述冷却头与该第3金属块之间设置有具有低温可塑性的材料片。
8.根据权利要求7所述的冷却装置，其特征在于，在第3金属块上设置有加热器。
9.根据权利要求1所述的冷却装置，其特征在于，还包括：用于收容所述冷却头和所述第1珀尔帖元件及第2珀尔帖元件的真空容器；布置在该真空容器外部的控制装置，其中，在保持良好气密性的情况下将所述第1珀尔帖元件和第2珀尔帖元件的布线从所述真空容器的内部引出到所述真空容器的外部，并连接到所述控制装置。
10.根据权利要求1所述的冷却装置，其特征在于，所述第1珀尔帖元件和第2珀尔帖元件具有PN结。
11.根据权利要求1所述的冷却装置，其特征在于，所述第1物品和第2物品包括超导体。
12.根据权利要求1所述的冷却装置，其特征在于，所述第1物品和第2物品包括高频电路或快速数字电路。
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