[发明专利]用于产生极低温度冷度的制冷机和方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种用于产生极低温度冷度的稀释制冷机和方法。

本发明更具体地涉及一种用于获得极低温度的稀释制冷机，该稀释制冷机包括：混合室；第一供给管道，其具有连接到氦同位素3(³He)的源的上游端和连接到混合室的下游端；第二供给管道，其具有连接到氦同位素4(⁴He)的源的上游端和连接到混合室的下游端；用于排放³He-⁴He的混合物的排放管道，所述³He-⁴He的混合物在混合室内由分别从第一和第二管道供给的³He和⁴He形成，该排放管道包括连接到混合室的上游端和连接到用于回收该部分排放的混合物的收集空间的下游端，第一和第二管道的下游端以及排放管道的上游端在一共同的接合处流体连通以形成混合室，氦³He-⁴He的混合物之间的相分离独立于重力由管道中的³He和⁴He的流量以及管道的毛细作用力控制。

背景技术

在用于获得极低温度的方法当中，最有利的方法之一涉及用同位素³He稀释普通⁴He。

在低于约0.88K时，³He-⁴He的混合物可能呈现两相，即称为浓相的富含³He相和称为稀相的富含⁴He相。当温度从0.88K下降到0K时，浓相中的³He浓度从67％增大到约100％，而稀相中的³He浓度从67％降低到约6.6％。

常规的稀释致冷器通常包括一填充有两相液态氦的混合箱或混合室：在上述热力学条件下一相为稀相而一相为浓相。制冷原理大致如下：在热力学隔离的混合箱内按比例形成⁴He-³He混合物，使得其中存在上述的两个相(稀相和浓相)。通过从稀相汲取³He，来自浓相的³He将溶解在稀相中以便维持平衡浓度。该稀释过程引起制冷。

为了使这种装置或低温箱连续工作，仅需将可能混合有一点⁴He的液态³He引入混合箱以便对上述提取进行补偿。

为了允许这些系统工作，需要局部化：

-浓相(主要含有³He的液体)，

-稀相(主要含有⁴He的液体)，以及

-浓蒸气相(主要是³He)。

各相的这种局部化通常在重力作用下实现(所述相由于它们不同的密度而分离)。然而，当系统在失重状态下或在特定取向上使用时，这种方式的局部化是不可能的。

FR 2 626 658描述了一种独立于重力或取向的稀释致冷器系统。

在该系统中，使用了三个管道，也称为毛细管。所述三个毛细管在一端结合在一起以形成接合位置(混合室)。其中两个毛细管分别用于注射纯³He和⁴He以产生饱和的³He-⁴He混合物(浓相和稀相的混合物)。使用第三毛细管汲取氦混合物并将其回收或排放到功能类似于“自由”泵的空间内。液态氦混合物之间的相分离仅由³He和⁴He的流量以及毛细作用力控制，并且不再受重力控制。

为了避开与重力相关的约束，制冷机不具备蒸馏器。可设置辅助蒸馏单元以在一专用操作期间分离可能已被回收(例如借助储罐)的³He-⁴He混合物的两种组分。

然而，该系统的寿命受为了供给混合箱而提供的氦同位素的量的限制。此外，在其用于宇宙飞船的情况下，汲取的氦混合物被损耗掉。

本发明的一个目的是减轻现有技术的所有或一些上述缺点。

发明内容