[發明專利]用于低溫制冷的系統和方法

有效

• 申請號: 201480062479.X
• 申請日: 2014-05-21
• 公開（公告）號: CN105765320B
• 公開（公告）日: 2018-03-06
• 發明（設計）人: 格雷戈里·奇韋爾;雅各布·克雷格·彼得羅夫;薩沙·維克拉姆·岡恩;埃德蒙·霍·因·坎
• 申請（專利權）人: D-波系統公司
• 主分類號: F25B9/00
• 分類號: F25B9/00;F25B9/12;F25B19/02
• 代理公司: 北京康信知識產權代理有限責任公司11240
• 代理人: 梁麗超,劉丹

技術領域

本發明的系統和方法總體上涉及低溫制冷技術。

背景技術

制冷

溫度是能夠對物理系統的狀態和進化造成重大影響的一種屬性。例如，極熱的環境甚至能夠導致最強且最堅固的材料熔化掉或分散為氣體。同樣地，被冷卻到低溫的系統可以進入物理屬性和行為與在室溫下觀察到的物理屬性和行為基本上不同的工作狀態。在許多技術中，在此低溫工作狀態下操作并且利用在寒冷區域中實現的物理行為可以是有利的。在此描述的這些系統、方法和裝置的不同實施例可以被用來提供并維持利用低溫下的物理現象所必須的低溫環境。

貫穿本說明書和隨附權利要求書，術語“低溫”被用來指代0至約93K的溫度范圍。多種技術可以實現以便產生具有低溫的環境，盡管本領域已知的常用裝置是被稱為稀釋制冷機的氦-³(3He)–氦-⁴(4He)稀釋制冷機。稀釋制冷機甚至可以被用來實現低于50mK的極度低溫。在一個典型的³He/⁴He稀釋制冷機的操作中，這些稀釋部件需要約4K的背景溫度。為了提供此背景冷卻，這些稀釋部件可以例如浸入一種液體⁴He的蒸發浴中，或者例如耦合到另一類型的制冷或冷卻裝置上，諸如一個脈沖管低溫冷卻器。

這些主要稀釋制冷機部件可以包括一系列熱交換器和腔室，這些熱交換器和腔室允許溫度下降到³He和⁴He的混合物分離成兩種不同相的一個點。第一相主要是³He，即集中相，并且第二相，即稀釋相主要是⁴He連同一些³He。稀釋制冷機總體上被配置成允許³He中的一些在吸熱過程中從集中相移動到稀釋相中，從而提供冷卻并且允許實現約10mK的溫度。³He通過一個逆流式熱交換器從稀釋相中被抽吸出來，冷凝，冷卻，并且然后經由該逆流式熱交換器返回到該混合物的集中相部分。盡管該稀釋相是富含⁴He的，但³He優先地從該稀釋相被抽吸出來，因為³He具有比⁴He更高的分壓。如所描述的過程定義一個氦回路。針對此稀釋效應和典型稀釋制冷機的操作的進一步細節可以在F.鮑貝爾(F.Pobell)的低溫下的物質和方法(Matter and Methods at Low Temperatures)，斯普林格出版社，第二版，1996年，第120-156頁中找到。

在大多數稀釋制冷機設計中，使用多個機械泵、多個壓縮機和一個外部氣體處理系統來使³He循環以便在將³He返回到較低的低溫前將³He從制冷機中的最低溫度升溫到高于低溫。常規使用的泵和壓縮機是大型的、昂貴的、有噪聲的、需要定期維護并且不可避免地將污染物，諸如空氣(即氮氣、氧氣、二氧化碳、氬氣等)添加到氦中。

這些污染物典型地具有比氦更高的冰點并且因此傾向于在氦流體通道中固化，從而形成阻塞。此類阻塞可以堵塞該稀釋制冷機中的精細毛細管，從而引起可靠性問題。堵塞通常需要一個稀釋制冷機的完全升溫以便去除污染物并且將該制冷機恢復到正常操作狀態。升溫和隨后冷卻回到操作溫度的過程可能花費幾天時間。

多個過濾器和冷阱可以被用來通過從氦去除污染物而減少堵塞的頻率，但是常規的過濾器和阱具有受限的有效性，并且甚至在采用現有技術的過濾器和冷阱的制冷機中堵塞繼續發生。因此，由污染物造成的堵塞在低溫制冷技術中仍然是影響制冷機性能的一個嚴重的技術挑戰，并且本領域中仍然存在對于用于低溫制冷系統中污染物過濾和/或截留的改善的系統和方法的需要。

發明內容

一種低溫阱系統可以被概括為包括：一個外殼，該外殼具有一個第一末端、與該第一末端相對的一個第二末端、和形成該外殼的一個內部的一個內表面；一個入口，用于一個氦回路中的一種氣體進入該外殼的該內部；一個出口，用于該氣體離開該外殼的該內部；以及在該外殼的該內部中的至少一個螺旋形低溫冷凝表面，其中該至少一個螺旋形低溫冷凝表面從至少鄰近該外殼的該第一末端的位置處至少朝向該外殼的該第二末端軸向地延伸，并且被導熱性地耦合到一個冷源上。