CN218179292U

CN218179292U - 一种节流制冷耦合绝热去磁制冷机的低温结构

Info

Publication number: CN218179292U
Application number: CN202221776028.0U
Authority: CN
Inventors: 吴亦农; 刘少帅; 潘小珊; 蒋珍华; 丁磊; 沙鑫权; 宋键镗; 董彩倩; 杨宝玉; 陆志; 黄政
Original assignee: Shanghai Institute of Technical Physics of CAS
Current assignee: Shanghai Institute of Technical Physics of CAS
Priority date: 2022-07-11
Filing date: 2022-07-11
Publication date: 2022-12-30
Anticipated expiration: 2032-07-11

Abstract

本专利公开了一种节流制冷耦合绝热去磁制冷机的低温结构，其包括节流压缩机单元、JT节流单元、脉管压缩机单元、二级脉管冷指单元和绝热去磁制冷机单元。节流压缩机单元和JT节流单元、脉管压缩机单元和二级脉管冷指单元之间通过管路连接；JT节流单元和脉管冷指单元之间通过螺钉紧固连接。JT节流单元包括三级逆流换热器、节流阀、JT热开关、蒸发器、两级预冷换热器、两级冷屏和真空腔；脉管压缩机单元包括脉管驱动压缩机和调相压缩机；绝热去磁制冷机单元包括悬挂支撑结构、热开关、磁热模块、超导磁体、冷端。本专利还公开了所述低温恒温结构的实现方法。本专利具有冷端温度极低、不依赖重力、不依赖稀缺工质³He和高可靠性等优点。

Description

一种节流制冷耦合绝热去磁制冷机的低温结构

技术领域

本专利属于低温技术领域，具体涉及一种节流制冷耦合绝热去磁制冷机的低温结构及实现方法。

背景技术

航天科技的蓬勃发展，为人类探索宇宙提供了极大的助力。对于超导量子干涉器件、超导光子探测器以及毫米亚毫米波探测等深空探测器等需要空间制冷系统提供深低温温度，所以高可靠性、长寿命的低温系统是其必要条件。着空间探测任务的不断发展，近30年来，美国、欧盟和日本等国家相继开展了一批空间探测项目，为了降低背景噪音，提高超导量子干涉器件(SQUID)、超导光子探测器(SNSPD)、超导太赫兹探测器、毫米亚毫米波探测等光学探测器的信噪比、灵敏度和分辨率，探测器及其附属的光学设备和电子设备往往需要工作在Sub-Kelvin级深低温的环境。目前国际上采用的亚开尔文级制冷技术主要有绝热去磁制冷机、绝热去磁制冷机和稀释制冷机。对于航天探测任务而言要将温度从室温降低至300mK甚至是50mK，JT节流制冷机和绝热去磁制冷机集成的低温恒温系统是一种较为简单、可靠的方法。

发明内容

针对超导量子干涉器件、超导光子探测器等深空探测器等需要空间制冷系统提供mK级温度的需求，本专利提供了一种节流制冷耦合绝热去磁制冷机的低温结构。其包括节流压缩机单元、JT节流单元、脉管压缩机单元、二级脉管冷指单元和绝热去磁制冷机单元。其中二级脉管冷指单元为JT节流单元提供15-20K和70-90K温区的预冷温度，JT节流单元为绝热去磁制冷机单元提供低于6K的预冷温度。节流压缩机单元和JT节流单元之间、脉管压缩机单元和二级脉管冷指单元之间通过管路连接；JT节流单元和脉管冷指单元之间通过螺钉紧固连接。JT节流单元包括高压管路、低压管路、逆流换热器、节流阀、JT热开关、支撑结构、蒸发器、一级预冷换热器、二级预冷换热器、一级冷屏、二级冷屏和真空腔；脉管压缩机单元包括脉管驱动压缩机和调相压缩机；二级脉管冷指单元包括一级脉管和二级脉管；绝热去磁制冷机单元包括吸附泵、热开关、中间换热器、蒸发器、冷端。本专利具有冷端温度低、可操作性高、降温时间短、可提供温区大等优点。

本专利的技术方案是：

本专利提供了一种节流制冷耦合绝热去磁制冷机的低温结构，包括节流压缩机单元1、JT节流单元2、脉管压缩机单元3、二级脉管冷指单元4和绝热去磁制冷机单元5。节流压缩机单元1采用直流有阀线性压缩机组进行驱动，具有无油、效率高、长寿命、高可靠的优点。JT节流单元2包括低压管路2.1、高压管路2.2、一级逆流换热器2.3、一级预冷换热器2.4、二级逆流换热器2.5、二级预冷换热器2.6、节流阀2.7、JT热开关2.8、三级逆流换热器2.9、支撑结构2.10、蒸发器2.11、一级冷屏2.12、二级冷屏2.13和真空腔2.14，具有无运动部件、体积小、重量轻、结构紧凑、机械振动小等优势。脉管压缩机单元3包括脉管主驱动压缩机3.1和主动调相压缩机3.2，主压缩机采用一拖二驱动压缩机结构，实现恒温系统高效紧凑小型化，采用主动调相技术，有利于脉管获得最佳的性能，具有调相范围广、温度低、效率高等优点。二级脉管冷指单元4包括一级脉管热端4.1、二级脉管热端4.2、密封法兰盘4.3、一级脉管回热器4.4、二级脉管高温段回热器4.5、中间换热器4.6、二级脉管低温段回热器4.7、二级脉管冷头4.8，两级脉管冷指单元采用同轴型结构，并将一级、二级脉管做成一体式结构，中间换热器4.6集一级脉管冷头、二级脉管中间换热器两种功能为一体，减少中间接触热阻，具有结构简单、紧凑型高、制冷效率高、振动小、可靠性高等优点。绝热去磁制冷机单元5包括悬挂支撑结构5.1、热开关5.2、磁热模块5.3、超导磁体5.4、冷端5.5。悬挂支撑结构5.1与磁热模块5.3相连接，热开关5.2与蒸发器2.11、磁热模块5.3螺钉紧固连接，使用的热开关5.2为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，实现开关通断。超导磁体5.4采用环状结构，将磁热模块5.3包裹在内部。具有不依赖重力、不依赖稀缺工质³He、高效紧凑和高可靠性的优点。

本专利的优点在于：该JT节流制冷机和绝热去磁制冷机集成的低温恒温系统使用多种制冷方式相结合，冷端可达到极低的温度，可以在多个温区提供冷量，集聚了JT节流制冷机制冷范围广、机械振动小的优势和绝热去磁制冷机冷端温度极低且冷量大、降温时间短、高效紧凑和高可靠性、结构简单的优势。在JT节流单元和绝热去磁制冷机单元都采用气隙式热开关进行降温，有效减少了系统的降温时间且紧凑性更高。具有集成程度高、温度范围广、机械振动小等优点。

附图说明

图1为一种节流制冷耦合绝热去磁制冷机的低温结构及实现方法；

图中：1节流压缩机单元、2.1低压管路、2.2高压管路、2.3一级逆流换热器、2.4一级预冷换热器、2.5二级逆流换热器、2.6二级预冷换热器、2.7节流阀、2.8JT热开关、2.9三级逆流换热器、2.10支撑结构、2.11蒸发器、2.12一级冷屏、2.13二级冷屏和2.14真空腔、3.1脉管主驱动压缩机和3.2调相压缩机、4.1一级脉管热端、4.2二级脉管热端、4.3密封法兰盘、4.4一级脉管回热器、4.5二级脉管高温段回热器、4.6中间换热器、4.7二级脉管低温段回热器、4.8二级脉管冷头、5绝热去磁制冷机单元、5.1悬挂支撑结构、5.2热开关、5.3磁热模块、5.4超导磁体、5.5冷端。

具体实施方式

下面结合附图及实施案例进一步描述本专利。

如图1所示，本专利提供了一种节流制冷耦合绝热去磁制冷机的低温结构及实现方法，该低温系统应用于超导量子干涉器件、超导光子探测器以及毫米亚毫米波探测等深空探测器中提供深低温温度。该低温恒温系统低温部分放置在真空腔2.14内，设置一级防辐射冷屏2.13和二级防辐射冷屏2.12有效地降低测试制冷机冷端辐射漏热。其中真空腔2.14采用不锈钢材料制成，厚度为10mm；一级防辐射冷屏2.13和二级防辐射冷屏2.12采用无氧铜材料制成；直流压缩机单元1采用直流有阀线性压缩机组进行驱动，低压管路2.1、高压管路2.2采用不锈钢管与压缩机、逆流换热器进行焊接连接。一级逆流换热器2.3、二级逆流换热器2.5、三级逆流换热器2.9采用两根不锈钢管套管同轴布置制作而成，与节流阀2.7、蒸发器2.11通过焊接连接。JT热开关2.8采用气隙式热开关，吸附材料采用植物活性炭进行吸附，热端与二级预冷换热器2.6螺钉连接，冷端和吸附泵通过螺钉连接固定在蒸发器2.11下，随着蒸发器温度的改变，吸附泵中的活性炭对氦气的吸附能力发生变化从而改变二级预冷换热器2.6与蒸发器2.11的连接状态从而使得JT制冷机快速降温，减少降温时间。脉管压缩机单元3采用两级脉管制冷机，通过密封法兰盘4.3与真空腔2.14密封连接；中间换热器4.6与一级预冷换热器2.4螺钉连接，为其提供60-90K的低温温度；二级脉管冷头4.8与二级预冷换热器2.6螺钉连接，为其提供15-20K的低温温度。绝热去磁制冷机单元5采用单级绝热去磁制冷机，通过JT节流单元2预冷后制冷能提供mK级制冷温度。悬挂支撑结构5.1与磁热模块5.3相连接，热开关5.2与蒸发器2.11、磁热模块5.3螺钉紧固连接，使用的热开关5.2为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，实现开关通断。超导磁体5.4采用环状结构，将磁热模块5.3包裹在内部。磁热模块5.3为由块状的磁性氧化物或粉末状的磁性氧化物等顺磁性盐压合而成。绝热去磁制冷机单元5是基于磁性材料熵随外界磁场发生变化而产生的吸放热效应或温度变化。开始时热开关5.2呈打开状态，磁热模块5.3和蒸发器2.11之间无热传导，磁铁孔中的磁场随之增加，磁热模块5.3等熵升温。当磁热模块5.3到达一定温度时，关闭热开关5.2磁场增加，顺磁性盐产生磁化热，磁热模块5.3向蒸发器2.11传递热量的同时熵减小。当磁场到达最大值时保持不变，此时磁热模块5.3温度下降。此时打开热开关5.2，磁热模块5.3温度进一步下降，从而获得低温。

该JT节流制冷机和绝热去磁制冷机集成的低温恒温系统使用多种制冷方式相结合，冷端可达到极低的温度，可以在多个温区提供冷量，集聚了JT节流制冷机制冷范围广、机械振动小的优势和绝热去磁制冷机冷端温度极低且冷量大、降温时间短、高效紧凑和高可靠性、结构简单的优势。在JT节流单元和绝热去磁制冷机单元都采用气隙式热开关进行降温，有效减少了系统的降温时间且紧凑性更高。具有集成程度高、温度范围广、机械振动小等优点。

本专利的实现方法：

安装过程：

一级预冷换热器2.4、二级预冷换热器2.6分别与一级冷屏2.12、二级冷屏2.13进行螺纹连接，JT热开关2.8采用气隙式热开关，热端与二级预冷换热器2.6螺钉连接，冷端和吸附泵通过螺钉连接固定在蒸发器2.11下。一级逆流换热器2.3、二级逆流换热器2.5、三级逆流换热器2.9采用两根不锈钢管套管同轴布置制作而成依次管路与管路焊接，然后末端与节流阀2.7、蒸发器2.11通过焊接连接。脉管压缩机单元3采用两级脉管制冷机，通过密封法兰盘4.3与真空腔2.14密封连接，制冷机均放置在真空腔2.14内；中间换热器4.6与一级预冷换热器2.4、二级脉管冷头4.8与二级预冷换热器2.6螺钉连接。绝热去磁制冷机单元5通过热开关5.2将蒸发器2.11、磁热模块5.3进行螺钉紧固连接，磁热模块5.3通过悬挂支撑结构5.1固定在JT节流单元2上。通过磁场的变化，从而实现降温制冷。

抽真空过程：

按上述安装方式安装后，为了减少恒温系统的对流换热损失，在安装好制冷系统之后，要对整个系统进行抽真空操作，真空度要保持在10^-4Pa以上。然后对制冷机的管路进行抽真空置换，最后充入高纯度氦气，保证系统的洁净度。

JT节流单元降温过程：

首先开启脉管压缩机单元3驱动二级脉管冷指单元4降温对JT节流单元2进行预冷，将中间换热器4.6温度维持在60-80K左右，二级脉管冷头4.8温度维持在15-20K附近，随后开启节流压缩机单元1驱动JT循环开始工作，压缩机将氦气压缩至高压后，依次进入到一级逆流换热器2.3高压管路、一级预冷换热器2.4、二级逆流换热器2.5高压管路、二级预冷换热器2.6、三级逆流换热器2.9高压管路进行预冷，最后进入节流阀2.7进行节流制冷，在蒸发器2.11获得相应的制冷温度及制冷量。

绝热去磁制冷机单元制冷过程：

当JT节流单元2到达相应的制冷温度时，绝热去磁制冷机单元5开始工作，绝热去磁制冷机单元5是基于磁性材料熵随外界磁场发生变化而产生的吸放热效应或温度变化。开始时热开关5.2呈打开状态，磁热模块5.3和蒸发器2.11之间无热传导，磁铁孔中的磁场随之增加，磁热模块5.3等熵升温。当磁热模块5.3到达一定温度时，关闭热开关5.2磁场增加，顺磁性盐产生磁化热，磁热模块5.3向蒸发器2.11传递热量的同时熵减小。当磁场到达最大值时保持不变，此时磁热模块5.3温度下降。此时打开热开关5.2，磁热模块5.3温度进一步下降，从而获得低温。

回温过程：

该制冷系统在系统结束运行时仍具有较低的温度，为了保护系统部件，要先对其进行回温操作。首先对关闭脉管压缩机单元3和节流压缩机单元1从而实现对系统关机，在温度回到常温后再打开真空腔2.14拆卸相关部件。

综上所述，本专利提出的一种节流制冷耦合绝热去磁制冷机的低温结构及实现方法具有冷端温度极低且冷量大、降温时间短、没有移动部件、不依赖重力、不依赖稀缺工质³He、高效紧凑和高可靠性等优点，因此是获取mK级极低温度的首选。

最后应说明的是：本行业的技术人员应该了解，本专利不受上述实施案例的限制，上述实施例和说明书描述的只是说明本专利的原理，在不脱离本专利精神和范围的前提下，本专利还会有各种变化和改进，这些变化和改进都要落入要求保护的本专利范围内。本专利要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims

1.一种节流制冷耦合绝热去磁制冷机的低温结构，包括节流压缩机单元(1)、JT节流单元(2)、脉管压缩机单元(3)、二级脉管冷指单元(4)和绝热去磁制冷机单元(5)，其特征在于：

所述节流压缩机单元(1)通过高低压管路与JT节流单元(2)连接，JT节流单元(2)在换热器处与二级脉管冷指单元(4)通过螺钉紧固连接，脉管压缩机单元(3)通过惯性管与二级脉管冷指单元(4)连接，绝热去磁制冷机单元(5)通过悬挂支撑结构和JT节流单元(2)连接；JT节流单元(2)、二级脉管冷指单元(4)部分结构和绝热去磁制冷机单元(5)置于真空环境中；节流压缩机单元(1)为JT节流单元(2)提供驱动源，脉管压缩机单元(3)为二级脉管冷指单元(4)提供驱动并起到调相的作用；二级脉管冷指单元(4)为JT节流单元(2)提供预冷；JT节流单元(2)为绝热去磁制冷机单元(5)提供预冷。

2.根据权利要求1所述的一种节流制冷耦合绝热去磁制冷机的低温结构，其特征在于，所述的节流压缩机单元(1)采用直流有阀线性压缩机组进行驱动。

3.根据权利要求1所述的一种节流制冷耦合绝热去磁制冷机的低温结构，其特征在于，所述的JT节流单元(2)包括低压管路(2.1)、高压管路(2.2)、一级逆流换热器(2.3)、一级预冷换热器(2.4)、二级逆流换热器(2.5)、二级预冷换热器(2.6)、节流阀(2.7)、JT热开关(2.8)、三级逆流换热器(2.9)、支撑结构(2.10)、蒸发器(2.11)、一级冷屏(2.12)、二级冷屏(2.13)和真空腔(2.14)。

4.根据权利要求1所述的一种节流制冷耦合绝热去磁制冷机的低温结构，其特征在于，所述的脉管压缩机单元(3)包括脉管主驱动压缩机(3.1)和主动调相压缩机(3.2)，主压缩机采用一拖二驱动压缩机结构。

5.根据权利要求1所述的一种节流制冷耦合绝热去磁制冷机的低温结构，其特征在于，所述的二级脉管冷指单元(4)包括一级脉管热端(4.1)、二级脉管热端(4.2)、密封法兰盘(4.3)、一级脉管回热器(4.4)、二级脉管高温段回热器(4.5)、中间换热器(4.6)、二级脉管低温段回热器(4.7)、二级脉管冷头(4.8)，两级脉管冷指单元采用同轴型结构，并将一级、二级脉管做成一体式结构，中间换热器(4.6)集一级脉管冷头、二级脉管中间换热器两种功能为一体，减少中间接触热阻。

6.根据权利要求1所述的一种节流制冷耦合绝热去磁制冷机的低温结构，其特征在于，所述的绝热去磁制冷机单元(5)包括悬挂支撑结构(5.1)、热开关(5.2)、磁热模块(5.3)、超导磁体(5.4)、冷端(5.5)；悬挂支撑结构(5.1)与磁热模块(5.3)相连接，热开关(5.2)与蒸发器(2.11)、磁热模块(5.3)螺钉紧固连接，使用的热开关(5.2)为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，实现开关通断；超导磁体(5.4)采用环状结构，将磁热模块(5.3)包裹在内部。