用于低温冷却装置的热交换器制造方法及图纸

提供了一种用于低温冷却装置的热交换器

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】用于低温冷却装置的热交换器


[0001]本专利技术涉及用于低温冷却装置的热交换器
。
在特别有利的实施方式中，热交换器形成稀释制冷机的一部分
。

技术介绍

[0002]存在需要冷却至毫开尔文温度的许多应用
。
可以通过操作稀释制冷机来获得这种温度
。
稀释单元将形成稀释制冷机的一部分，该稀释单元包括由热交换器组连接的蒸馏器和混合腔
。
在操作期间，由氦
‑
3/
氦
‑4混合物形成的操作流体绕稀释单元循环
。
利用将氦
‑3稀释至氦
‑4中时的混合焓在混合腔处获得冷却
。
由此，混合腔可以操作成获得稀释制冷机的任何部分的最低温度
。
氦
‑3在蒸馏器中沸腾，这移除了由于蒸发潜热而产生的能量
。
冷却板布置在蒸馏器和混合腔之间，并且在使用期间通常获得这两个部件之间的温度
。
[0003]热交换器是稀释制冷机设计的重要方面，并且用于将离开混合腔的“冷”氦
‑3与返回混合腔的“热”氦
‑3联接
。
这种交换的质量决定了例如可达到的最低温度
。
目前
(
在所有稀释制冷机上
)
使用的热交换器基本为两种类型，即所谓的“连续”式交换器和“阶梯”式交换器
。
[0004]图1示出了现有技术稀释单元的示例
。
操作流体通过热交换单元中的两个逆流路径在蒸馏器
102
和混合腔
105
之间流动
。
热交换单元包括布置在蒸馏器
102
和冷却板
103
之间的连续式热交换器
101。
连续式热交换器
101
包括布置成螺旋形的同轴单元，两个路径沿相反方向行进通过该同轴单元，并且具有被盘绕布置的外部路径包围的内部路径
(
未示出
)。
连续式热交换器通常可以用于获得低至约
30
毫开尔文的温度
。
由于在低温下液氦和金属之间的
(
卡皮查
)Kapitza(
热边界
)
热阻增加，因此仅具有连续式热交换器的稀释制冷机局限于在约
30
毫开尔文下操作
。
在较低温度下，连续式热交换器不能提供足够的表面面积来克服增加的热边界热阻
。
阶梯式热交换器可以通过使用大表面面积烧结体来克服卡皮查热阻，从而用于获得更低温度
。
两个阶梯式热交换器
104
堆叠布置在冷却板
103
和混合腔
105
之间
。
每个阶梯式热交换器形成基本盘状结构，该阶梯式热交换器中的两个路径由箔分开
。
可以根据适于应用的情况来选择所提供的阶梯式热交换器的数量
。
[0005]在通常使用中，存在阶梯式热交换器的两种有效几何形状，即“逆流块”和“半连续”。
对于逆流块，存在两个逆流的氦
‑3流，这两个逆流的氦
‑3流通过可以是薄膜的支撑介质由烧结体热联接
。
半连续热交换器通常具有的盘绕几何形状与连续式热交换器的盘绕几何形状相似
。
然而，内导管由离散烧结元件组构成，该离散烧结元件组连结在一起并且封闭在外管内
。
如果外管露出，则半连续热交换器可以提供连续式热交换器的外观
。
可替代地，外管可以容纳在焊接盒内，该焊接盒提供了阶梯式热交换器的外观
。
[0006]稀释单元的组装
(
特别是上述阶梯式热交换器的组装
)
通常是复杂的劳动密集型过程，需要经过高度训练的技术人员花费数百小时才能完成
。
稀释制冷机的性能对组装处理中的微小差异很敏感，并且高度依赖手动组装技术意味着稀释制冷机的最终性能不能总是预先得到精确保证
。
期望减少根据特定处理制造的热交换器和稀释制冷机的性能之间的
标准偏差
。
还希望提供一种更易于自动化构建这些设备的更简单方法
。
基于解决这些问题的背景下提出本专利技术
。

技术实现思路

[0007]本专利技术的第一方面提供了一种用于低温冷却装置的热交换器，该热交换器包括：第一导管
、
第二导管和腔，其中，该腔布置成接收来自第一导管的流体，并且其中，第二导管与腔的外部热联接，腔具有第一区域和第二区域，该第一区域通过延伸穿过腔的板与该第二区域分离，该板包括允许流体从第一区域流动至第二区域的一个或多个孔
。
[0008]热交换器的构造使其本身能够进行可以是半自动或全自动的更简单的组装处理
。
因此，与一些现有技术的热交换器相比，提高了这种热交换器的性能的可重复性
。
板优选布置成阻挡流体流通过腔
。
因此，孔可以相对于第一导管布置，使得流体遵循非直线路径通过腔
。
第二导管与腔的外部热联接，因此非直线路径增加了来自腔中的第一导管的流体与第二导管中的流体之间的热联接
。
[0009]腔可以沿第一导管布置
。
换言之，腔可以布置成直接从第一导管的第一部分接收流体，并且第一导管的第二部分可以布置成直接从腔接收流体
。
第一导管通常在第一区域内的第一位置和第二区域内的第二位置处与腔的内部流体联接，其中，一个或多个孔在沿板的方向上相对于第一位置和
/
或第二位置横向偏移
。
这改善了腔中的流体与第二导管中的任何流体之间的热联接
。
热交换器通常包括延伸通过腔的中心的中心轴线，其中，第一导管在沿中心轴线布置的两个位置处与腔联接
。
因此，一个或多个孔可以相对于中心轴线径向分散
。
使第一导管沿中心轴线延伸确保了热交换器被适当支撑并且有助于更简单组装
。
热交换器优选关于中心轴线旋转对称
。
这进一步简化了组装方法，因为例如如果需要使用焊接处理来制造任何连结部，则能够在这种焊接处理期间绕中心轴线旋转热交换器
。
[0010]热交换器的目的是在使用中将第一导管中的流体与第二导管中的流体热联接
。
为了确保这两个导管有效热接合，第一导管优选布置在第二导管内部
。
类似地，腔优选布置在第二导管内部
。
然后，第二导管内部的流体将与第一导管和腔的外部直接接触
。
[0011]腔优选包括第一端件和第二端件，该第一端件和第二端件分别形成腔的相对侧，该第一端件通过导流器与该第二端件联接本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】1.
一种用于低温冷却装置的热交换器，所述热交换器包括：第一导管
、
第二导管和腔，其中，所述腔布置成接收来自所述第一导管的流体，并且其中，所述第二导管与所述腔的外部热联接，所述腔具有第一区域和第二区域，所述第一区域通过延伸穿过所述腔的板与所述第二区域分离，所述板包括允许所述流体从所述第一区域流动至所述第二区域的一个或多个孔
。2.
根据权利要求1所述的热交换器，其中，所述板布置成阻碍所述流体流过所述腔
。3.
根据权利要求1或2所述的热交换器，其中，所述腔沿所述第一导管布置
。4.
根据权利要求1至3中任一项所述的热交换器，其中，所述第一导管在所述第一区域内的第一位置和所述第二区域内的第二位置处与所述腔的内部流体联接，并且其中，所述一个或多个孔在沿所述板的方向上相对于所述第一位置和
/
或所述第二位置横向偏移
。5.
根据前述权利要求中任一项所述的热交换器，其中，所述热交换器包括延伸通过所述腔的中心的中心轴线，并且其中，所述第一导管在沿所述中心轴线布置的两个位置处与所述腔联接
。6.
根据权利要求5所述的热交换器，其中，所述热交换器关于所述中心轴线旋转对称
。7.
根据前述权利要求中任一项所述的热交换器，其中，所述第一导管布置在所述第二导管内部
。8.
根据前述权利要求中任一项所述的热交换器，其中，所述腔布置在所述第二导管内部
。9.
根据前述权利要求中任一项所述的热交换器，其中，所述腔包括分别形成所述腔的相对侧的第一端件和第二端件，所述第一端件通过导流器联接到所述第二端件，所述导流器包括将所述第一端件与所述第二端件分隔开的套环，其中，所述板延伸跨过所述套环以形成所述导流器的一部分
。10.
根据权利要求9所述的热交换器，其中，所述第一端件和所述第二端件中的一个或两个包括布置在所述腔内部的第一面
、
布置在所述腔外部的第二面
、
以及布置在所述第一面与所述第二面之间的箔构件，其中，所述第一面和所述第二面各自包括施加至所述箔构件的烧结材料
。11.
根据权利要求
10
所述的热交换器，其中，围绕每个所述箔构件的周边布置有周向支撑构件，所述周向支撑构件熔合至所述套环
。12.
根据权利要求
11
所述的热交换器，其中，当处于
300K
的温度时，所述箔构件和
/
或所述烧结材料的热导率是所述周向支撑构件和
/
或所述套环的热导率的至少二十倍
。13.
根据权利要求5和权利要求
10
至
12
中任一项所述的热交换器，其中，所述第一面和
/
或所述第二面成型为使得所述箔构件上的烧结体的厚度随着距所述中心轴线的径向距离增加而增加
。14.
根据权利要求9至
13
中任一项所述的热交换器，其中，所述腔限定有用于输送所述流体通过所述第一区域和所述第二区域的流道，其中，所述流道形成在施加至所述第一端件和所述第二端件的烧结体内
。15.
根据权利要求
14
所述的热交换器，其中，所述流道包括穿过所述腔的一个或多个流动路径，所述一个或多个流动路径由施加至所述第一端件和所述第二端件的烧结体成形
。16.
根据权利要求1至
13
中任一项所述的热交换器，其中，所述腔限定有用于将所述流
体输送通过所述第一区域和所述第二区域的流道
。17.
根据权利要求5和
16
所述的热交换器，其中，所述流道的深度随着距所述中心轴线的径向距离增加而减小
。18.
一种低温冷却装置，包括：目标制冷机；以及根据前述权利要求中任一项所述的热交换器，其中，所述第一导管布置成将操作流体输送至所述目标制冷机，并且所述第二导管布置成从所述目标制冷机输送所述操作流体
。19.
一种稀释制冷机，包括：蒸馏器
、
混合腔和根据权利要求1至
17
中任一项所述的热交换器，其中，所述第一导管布置成使操作流体从所述蒸馏器流至所述混合腔，所述第二导管布置成使所述操作流体从所述混合腔流至所述蒸馏器，所述热交换器构造成使所述第一导管中的所述操作流体与所述第二导管中的所述操作流体热联接
。20.
根据权利要求
19
的稀释制冷机，其中，所述混合腔包括烧结体块，并且所述第一导管包括端部部分，所述端部部分敞开并且围绕所述烧结体块的一部分延伸，以便使所述烧结体块的所述一部分与所述操作流体接触，所述第二导管围绕所述端部部分和所述烧结体块延伸，以便沿远离所述烧结体块的方向输送所述操作流体
。21.
根据权利要求
20
所述的稀释制冷机，其中，所述稀释制冷机构造成所述稀释制冷机的操作导致所述操作流体在所述第一导管的所述端部部分内部的位置处出现相界
。22.
根据权利要求
19
至
21
中任一项所述的稀释制冷机，其中，所述热交换器布置成在使用中获得低于
30mK
的温度
。23.
根据权利要求
19
至
22
中任一项所述的稀释制冷机，其中，还包括布置在所述蒸馏器和所述混合腔之间的冷却板，所述冷却板布置成在所述稀释制冷机的操作期间获得所述蒸馏器的基础温度和所述混合腔的基础温度之间的基础温度，所述稀释制冷机还包括腔组件，所述腔组件包括一个或多个所述腔，所述一个或多个所述腔沿所述第一导管在所述冷却板和所述混合腔之间延伸的一部分布置，每个所述腔布置成接收来自所述第一导管的所述操作流体，并且其中，第二导管与每个所述腔的所述外部热联接
。24.
根据权利要求
23
所述的稀释制冷机，其中，所述腔组件形成阶梯式热交换器
。25.
根据权利要求
23
或
24
所述的稀释制冷机，其中，所述腔组件包括第一所述腔和第二所述腔，所述第一所述腔布置在所述冷却板和第二所述腔之间，其中，第二所述腔的深度和
/
或穿过第二所述腔的所述板的孔的数量或尺寸高于第一所述腔的深度和
/
或穿过第一所述腔的所述板的孔的数量或尺寸
。26.
根据权利要求
23
至
25
中任一项所述的稀释制冷机，其中，所述腔组件和所述混合腔关于延伸穿过所述第一导管的轴线旋转对称
。27.
根据权利要求
23
至
26
中任一项所述的稀释制冷机，其中，每个所述腔包括用于输送所述流体通过相应第一区域和相应第二区域的一个或多个流道，其中，每个所述流道形成在烧结体内，其中，所述腔组件在所述稀释制冷机的操作期间沿热梯度布置，使得第一所述腔布置成获得的基础温度高于第二所述腔获得的基础温度，并且其中，所述第一腔中的所述一个或多个流道的直径小于所述第二腔中的所述一个或多个流道的直径
。28.
根据权利要求
19
至
27
中任一项所述的稀释制冷机，其中，所述第二导管形成所述热
交换器的外部，并且所述第二导管由熔合在一起的多个模块形成
。29...

【专利技术属性】
技术研发人员：安东尼，
申请(专利权)人：牛津仪器纳米技术工具有限公司，
类型：发明
国别省市：