一种极低温制冷系统及其制冷方法技术方案

本发明专利技术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；本发明专利技术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。高整机系统的效率。高整机系统的效率。

【技术实现步骤摘要】
一种极低温制冷系统及其制冷方法


[0001]本专利技术涉及极低温制冷
，特别是涉及一种极低温制冷系统及其制冷方法。

技术介绍

[0002]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。
[0003]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 demagnetization refrigerator)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。
[0004]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。

技术实现思路

[0005]本专利技术的目的是，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。
[0006]本专利技术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。
[0007]在本专利技术的一实施例中，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。
[0008]在本专利技术的一实施例中，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；
[0009]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；
[0010]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。
[0011]在本专利技术的一实施例中，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；
[0012]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；
[0013]所述绝热去磁制冷单元设置在所述二级冷屏内。
[0014]在本专利技术的一实施例中，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。
[0015]在本专利技术的一实施例中，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。
[0016]在本专利技术的一实施例中，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。
[0017]在本专利技术的一实施例中，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。
[0018]本专利技术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：
[0019]启动脉管压缩机单元；
[0020]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；
[0021]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。
[0022]在本专利技术的一实施例中，所述极低温制冷系统的制冷方法具体包括步骤：
[0023]启动所述脉管压缩机单元的脉管驱动压缩机；
[0024]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；
[0025]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；
[0026]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；
[0027]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；
[0028]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；
[0029]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；
[0030]其中所述目标预冷温度为2～20K。
[0031]本专利技术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，本专利技术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。
[0032]通过对随后的描述和附图的理解，本专利技术进一本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
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...

【专利技术属性】
技术研发人员：王亚男，戴巍，李珂，刘萍，
申请(专利权)人：中国科学院理化技术研究所，
类型：发明
国别省市：