[发明专利]低温冷却系统

说明书

本发明公开了一种低温冷却系统，包括：第一级(6)、第二级(7)和第三级(8)，其中所述第二级(7)布置在所述第一级(6)和所述第三级(8)之间。设置有第一稀释单元(12)，其包括第一蒸馏器(11)和第一混合室(13)，其中所述第一蒸馏器(11)热耦合到所述第一级(6)，并且所述第一混合室(13)热耦合到所述第三级(8)。还设置有第二稀释单元(32)，其包括第二蒸馏器(31)和第二混合室(33)，其中所述第二蒸馏器(31)热耦合到所述第一级(6)且所述第二混合室(33)热耦合到所述第二级(7)。所述系统解决了补偿施加到所述系统的低温度级的热负荷的问题。

技术领域

本发明涉及一种低温冷却系统，更特别地，涉及一种包括稀释单元的低温冷却系统。

背景技术

存在许多需要冷却至毫开尔文温度的应用。这种温度可以通过稀释制冷机的操作来获得。稀释制冷机典型地包括多个级，每个级构造为在稀释制冷机操作期间获得各个温度。组件可以热耦合到这些级，以解决应用的特定要求。

稀释单元将形成稀释制冷机的一部分，该稀释单元包括蒸馏器和混合室，其通过一组热交换器连接。由氦-3/氦-4混合物形成的工作流体在在操作期间围绕稀释单元循环。蒸馏器和混合室形成主动冷却源，因为它们通过工作流体的相变或混合施加冷却(即，可以从系统中去除能量)。在混合室从氦-3被稀释成氦-4时的混合焓获得冷却。由此混合室可操作为获得稀释制冷机的任何部分的最低温度。将氦-3在蒸馏器中煮沸，其由于汽化潜热而去除能量。冷却板布置在蒸馏器与混合室之间并通常在使用期间在这两个组件之间获得某一温度。冷却板形成中间散热器(通常用作各种实验服务的便捷安装点)，

该中间散热器通过流出氦-3，将其从混合室流向蒸馏器进行被动冷却，但没有主动冷却过程。这样，施加到冷却板上的任何热负荷都是寄生连带的，并且将直接影响混合室的基础温度。

图1示出了稀释单元的现有技术实例。工作流体通过热交换单元中的两个逆流路径在蒸馏器102和混合室105之间流动。热交换单元包括布置在蒸馏器102和冷却板103之间的连续热交换器101。

连续热交换器101包括螺旋布置的同轴单元，两个路径通过该同轴单元以相反的方向行进，内部路径被外部路径包围。连续热交换器通常可用于获得低至约30毫开尔文的温度。阶梯式热交换器可通过使用大表面积的烧结体克服金属和液氦在低温下的卡皮查热阻来获得更低的温度，尽管与连续热交换器相比，这些操作通常需要更多的氦-3。在冷却板103和混合室105之间堆叠布置有两个阶梯式热交换器104。每个阶梯式热交换器形成大致盘状的结构，其中两个路径由箔片隔开。所设置的阶梯式热交换器的数量可调节为适应应用情况。

典型地，在诸如量子信息处理(QIP)等低温应用中，安装各种耗散元件以确保实验布线进行充分的热化。来自电阻元件和导线的耗散热增加了稀释制冷机的负荷，这意味着为了维持系统的给定基础温度需要更多的冷却功率。蒸馏器额外耗散的副作用是稀释制冷机的氦-3循环速率增加。在给定的混合室温度，循环速率具有最优值，在该温度混合室可用的冷却功率最大化(或工作温度最小化)。因此，蒸馏器的额外耗散可能意味着无法获得稀释制冷过程的最佳流速。

随着应用规模的增加，由于额外安装元件散发的热量必然增加。可以安装更强功率的稀释单元，甚至多个稀释单元回路，以增加可用的冷却功率。然而，提高第三级的冷却功率并非易事，并且需要设置更大或更多阶梯式热交换器。阶梯式热交换器典型地占稀释制冷机的氦-3需求量的50-70％，其既稀有又昂贵。因此，期望减少系统对氦-3的需求量。安装更多具有相同设计的稀释单元会遇到类似的问题，因为这是解决在第二级(没有主动冷却过程)施加的热负荷的无效方法。以前曾提出过将在大约1开尔文工作的氦-4制冷机安装到稀释制冷机上。该方法在第一级增加了冷却功率，然而它并没有直接解决稀释制冷机在更低温度级耗散的热量问题。

因此，期望提供一种设计为直接补偿在低温施加的任何热负荷的低温冷却系统。

发明内容