CN110617650B - 低温冷却系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种低温冷却系统(1)，包括：机械制冷机(2)、热管(17)和热开关组件。机械制冷机具有第一冷却级(3)和第二冷却级(4)。热管具有热耦合到第二冷却级的第一部分和热耦合到目标组件(9，18，20)的第二部分。热开关组件包括一个或多个气隙热开关(11‑13)、第一端和第二端。低温冷却系统适于在其中第二冷却级的温度低于第一冷却级的温度的热管冷却模式下操作。在热管冷却模式期间，通过冷凝的液体冷却剂从热管的第一部分移动到第二部分而使目标组件冷却。低温冷却系统还适于在其中第二冷却级的温度使冷却剂冻结的气隙冷却模式下操作。热开关组件适于在气隙冷却模式期间经由一个或多个气隙热开关从第二冷却级向目标组件提供冷却。

Description

低温冷却系统

技术领域

本发明涉及低温冷却系统和操作该系统的方法。

背景技术

有许多技术应用需要冷却到较低温度，特别是可以认为是低于100开尔文的低温温度。液氦-4通常用作低温冷却剂，因为液氦-4在大气压下的沸点约为4开尔文。超导磁体和其他实验装置传统上使用液体冷冻剂冷却至约4开尔文，这些液体冷冻剂包括氮和氦。这些液态或气态冷冻剂的相对大的焓含量确保了从室温到所讨论的冷冻剂的温度的快速冷却。尽管液体冷冻剂广泛使用和成功，但处理这种低温液体所需的装置通常相当庞大、复杂且昂贵。此外，氦的相对稀缺性越来越多地使得这种冷冻剂的使用不利。

因此，总体趋势是减小所用液体冷冻剂的体积，其冷却能力由机械低温冷却器(本文中的“机械制冷机”)代替，这些机械低温冷却器包括脉冲管制冷机，吉福德-麦克马洪(Gifford McMahon)制冷机和斯特林制冷机。两级机械制冷机的最新发展使得能够实现更具成本效益且更方便的冷却过程。然而，这种机械制冷机的一个特别缺点是第二级的相对小的冷却功率(具有两级的较低基准温度)，这意味着与液体冷冻剂相比，使用机械制冷机冷却目标组件需要显著更长的时间。当目标组件具有高热质量时尤其如此。

在一些已知的系统中，目标组件通过预冷却回路与第二级热连通，低温流体可以在该预冷却回路中流动。因此冷冻剂用作可移除的传热介质，该传热介质使目标组件能够被冷却到低于第二级的温度的温度。随着流体流过回路，目标组件被冷却到等于第二冷却级的温度。然后，移除流体并操作另一个冷却装置使得目标组件的温度能够进一步降低。预冷却回路在第二级与目标组件之间形成可断开的热连接，而不需要任何实际上难以实现并且可能产生不需要热量的联接器、连杆等的物理运动。然而，希望缩短使用这种系统可获得的冷却时间。

发明内容

本发明的第一方面提供一种低温冷却系统，包括：

机械冷冻机，其具有第一冷却级和第二冷却级，第二冷却级构造成达到比第一冷却级更低的基准温度；

热管，其具有热耦合到第二冷却级的第一部分和热耦合到目标组件的第二部分，在使用时该热管适于容纳可冷凝的气态冷却剂；

热开关组件，其包括一个或多个气隙热开关，热开关组件具有热耦合到第二冷却级的第一端和热耦合到目标组件的第二端；

其中低温冷却系统适于在热管冷却模式下操作，在热管冷却模式中第二冷却级的温度低于第一冷却级的温度，并且其中目标组件的温度使热管的第二部分内的冷却剂是气态的并且第二冷却级的温度使热管的第一部分中的冷却剂冷凝，由此通过冷凝的液体冷却剂从热管的第一部分到热管的第二部分的移动而使目标组件冷却；

其中低温冷却系统还适于在气隙冷却模式下操作，在气隙冷却模式中第二冷却级的温度使冷却剂冻结；并且

其中，热开关组件适于在气隙冷却模式期间经由一个或多个气隙热开关从第二冷却级向目标组件提供冷却。

热管和热开关组件的组合形成热开关，用于使目标组件与第二冷却级热连通。这种布置确保第二冷却级有效地冷却目标组件，从而缩短系统的整体冷却时间。此外，这种布置避免了对可能产生不希望的额外热负荷的活动件的需求。如下所述，在实现这种布置之前，发明人已经考虑了各种可能的热开关。

仅使用一个或多个气隙热开关来与第二冷却级和目标组件热耦合不能使目标组件充分地快速冷却。例如，对于多级设备，可以设置气隙热开关用于每级冷却。然而，当设置多个气隙热开关时，温度梯度要求遍及每个开关以促进热流动，从而限制了冷却过程的总效率。类似地，仅使用热管不够有效。使用其工作流体的蒸发潜热，热管可以提供极高的传导性。然而，热管的操作范围是有限的：使它们不适合将目标组件从室温冷却到第二冷却级的温度。

然而，通过组合使用如权利要求所述的热管和热开关组件，可以克服这些问题。热管布置成使遍及热开关组件的热梯度“短路”，以在第二冷却级和目标组件之间在热管的操作范围内提供改进的冷却。然而，热开关组件在非常宽的温度范围内保持可操作，从而使目标组件能够从室温冷却到第二冷却级的温度。因此，可以显著缩短目标组件的冷却时间。

这里使用的术语“热耦合”是指两个装置之间的高导热率连接。该连接可以是在装置之间直接安装的形式，或者该连接可以包括具有高导热率(通常在20开尔文温度下高于1000瓦/米开尔文)的中间连接构件，例如由使用铜提供的构件。

热管和热开关组件使目标组件能够与第二冷却级热断开，使得目标组件可以被冷却到低于第二冷却级的温度。因此，该系统可以包括目标制冷机，其中目标组件包括目标制冷机的冷却元件，所述冷却元件构造成达到比第一冷却级和第二冷却级更低的基准温度。例如，目标制冷机可包括稀释制冷机，稀释制冷机包括蒸馏室、冷却构件和混合室，其中冷却构件布置在蒸馏室和混合室之间，并且其中混合室形成冷却元件。应当理解，蒸馏室可以在使用期间对系统施加进一步冷却，但是通常布置混合室而不是蒸馏室形成目标组件的一部分。

可以在第二冷却级和目标组件之间提供多个冷却级，每个冷却级各自的基准温度低于第二冷却级的温度。例如，在提供稀释制冷机的情况下，蒸馏室和混合室将具有不同的基准温度(通常分别为约1开尔文和0.01开尔文或更低)。另外，冷却构件可以保持在蒸馏室和混合室的温度之间的中间温度(在稳态运行期间通常为约0.1开尔文或更低)。热开关组件可以在这些装置中的每一个之间有利地形成热开关，使得这些装置可以与机械制冷机的第二冷却级热连接和断开。例如，热开关组件可包括第一气隙热开关、第二气隙热开关和第三气隙热开关，其中第一气隙热开关与第二冷却级和蒸馏室热耦合，其中第二气隙热开关与蒸馏室和冷却构件热耦合，并且其中第三气隙热开关与冷却构件和混合室热耦合。

每个气隙热开关通常具有相对的第一端和第二端，可以控制在第一端和第二端之间的热传递。因此，第二冷却级可以连接到第一气隙热开关的第一端；蒸馏室可以连接到第一气隙热开关的第二端和第二气隙热开关的第一端；冷却构件可以连接到第二气隙热开关的第二端和第三气隙热开关的第一端；并且混合室可以连接到第三气隙热开关的第二端。这些连接通常是使用高导热率连接构件实现的热连接。

在替代实施方式中，可以在第二冷却级和目标组件之间仅设置一个中间冷却级。例如，该系统可包括布置在第二冷却级和目标组件之间的冷却构件，其中热开关组件包括与第二冷却级和冷却构件热耦合的第一气隙热开关，以及与冷却构件和目标组件热耦合的第二气隙热开关。因此，第二冷却级可以连接到第一气隙热开关的第一端；冷却构件可以连接到第一气隙热开关的第二端和第二气隙热开关的第一端；并且目标组件可以连接到第二气隙热开关的第二端。这种布置特别有用，例如，其中目标制冷机包括连续的氦-3制冷机。

该系统优选地还包括布置在第二冷却级和目标组件之间的一个或多个热辐射屏蔽件。这些热辐射屏蔽件中的一个可以形成先前提到的冷却构件或与先前提到的冷却构件热耦合。此外，可以设置热辐射屏蔽件以在第二冷却级和热开关组件之间形成热连接。这将有助于在稳态运行期间将目标组件与任何更高温度级和周围环境热隔离。

一个或多个气隙热开关优选地构造成在气隙冷却模式期间容纳导热气体，并且热开关组件优选地进一步构造成从一个或多个气隙热开关移除导热气体，以便使第二冷却级与目标组件基本上热隔离。特别希望每个气隙热开关包括沿共同主轴对准的两个细长导体，其中所述细长导体通过间隙彼此分开，该间隙构造成在气隙冷却模式期间容纳导热气体。每个所述气隙热开关可以包括不锈钢壁，该不锈钢壁构造成容纳导热气体，以便使热传导遍及开关。已经发现这种开关在这种情况下具有优异的性能，无论是在闭合时具有高有效导热率还是高开关比(一旦开关打开时，其确定泄漏到系统中的残余热量)。例如，在低温温度下不锈钢具有极低的导热率。因此，可以通过控制两个导体之间的导热气体的量来调节遍及开关的热交换。在热管冷却模式期间以及在气隙冷却模式期间，导热气体通常容纳在每个气隙热开关内。

如上所述，在许多情况下，希望目标组件能够达到低于第二冷却级的基准温度。然后，低温冷却系统还适于在低温冷却模式下操作，低温冷却模式中冷却剂被冻结，导热气体被从一个或多个气隙热开关移除并且操作目标制冷机的冷却元件以便将目标组件冷却到比第一冷却级和第二冷却级更低的温度。因此，低温冷却模式通常是在冷却过程中应用的最后的冷却模式。

目标组件通常包括目标装置，目标装置可以是对接站(docking station)的形式，对接站布置成接收支撑样品的样品载体。通过热开关组件和热管的组合实现的缩短的冷却时间对于目标组件具有高热质量的系统特别明显。因此，优选地，目标装置具有至少10千克，更优选至少20千克的物理质量。

优选地，在使用时，热管容纳气态冷却剂，该气态冷却剂能够在装置中冷凝成冷却剂液体。液体冷凝物的产生为第二冷却级的冷却功率提供了传递到目标组件的媒介物。这几乎总是由重力驱动的过程，或者可以使用替代过程，例如用蒸发的冷却剂的膨胀来驱动流体流动。

应当理解，热管的内部通常包括壳体，该壳体限定用于容纳冷却剂的内部容积，并且该壳体容纳彼此流体连通的第一部分和第二部分。因此，容积的几何结构可以非常简单；实际上它可以采用简单圆筒形容积的形式。第一部分和第二部分通常对应于热管的第一端和第二端或端部区域，特别是在大致圆筒形容积的情况下。无论精确的几何结构如何，在低温温度下第一部分和第二部分通常基本上彼此热隔离(除了冷却剂的移动之外)。由于不锈钢在低温温度下的低导热率，热管的壳体优选地基本上由不锈钢形成。

可以理解的是，冷却剂类型的选择以及实际上供应给热管的压力是因应用而异的。然而，合适的冷却剂的实例是氖。氖具有相对窄的液体可以存在的温度范围(这是由于在大气压下沸点约为27开尔文，熔点约为25开尔文)。

只有当第一部分冷却到使气态冷却剂冷凝的温度，而第二部分的温度为使气态冷却剂蒸发的温度时，热管才能有效地起作用。在操作机械制冷机时，第二冷却级的温度可以降低到低于冷却剂保持为液体的温度。因此冷却剂可以固化，此后使热管停止运行。为了延长热管冷却模式，装置还可以包括控制系统，该控制系统适于在装置处于热管冷却模式时控制热管的第一部分中的环境，以确保气态冷却剂能够冷凝但不冻结。

因此，可以根据气体的压力和/或温度来控制热管内的环境。温度是更容易控制的变量，因此通常控制系统包括与热管的第一部分热连通的加热器。这种加热器的运行确保了热管的第一部分中的局部温度保持在使冷却剂气体冷凝的范围内。

装置还可以进一步包括外部容积，该外部容积与热管的内部流体连通。这样的容积可以采用储存器或储存罐的形式，并且不仅可以用于最初将冷却剂供应到热管，而且还可以用于在装置的各个运行阶段期间控制热管内冷却剂的压力。因此，控制系统可以使用这种外部容积作为压力控制功能的一部分。

本发明的第二方面提供了一种操作低温冷却系统的方法，该低温冷却系统包括：机械制冷机，其具有第一冷却级和第二冷却级，第二冷却级构造成达到比第一冷却级更低的基准温度；热管，其具有热耦合到第二冷却级的第一部分和热耦合到目标组件的第二部分，热管容纳可冷凝的气态冷却剂；包括一个或多个气隙热开关的热开关组件，热开关该组件具有热耦合到机械制冷机的第二冷却级的第一端和热耦合到目标组件的第二端；

该方法包括以下步骤：

i)使目标组件采用足以确保热管的第二部分内的冷却剂处于气相的温度；

ii)操作机械制冷机使第二冷却级采用使热管的第一部分内的冷却剂冷凝的温度；

iii)在热管冷却模式期间冷却目标组件，热管冷却模式中通过使冷凝的冷却剂从热管的第一部分移动到热管的第二部分，而使第二冷却级的温度低于第一冷却级的温度；以及

iv)在气隙冷却模式期间冷却目标组件，气隙冷却模式中第二冷却级的温度使热管内的冷却剂冻结，并且其中通过第二冷却级经由一个或多个气隙热开关对目标组件施加进一步的冷却。

第二方面具有所讨论的与第一方面有关的类似优点。它还可以包括所讨论的与第一方面有关的任何装置。

在室温下热管中的冷却剂通常为气态。因此，在安装系统时以及在执行任何冷却操作之前，可以自动满足步骤(i)。一旦冷却过程开始，并且在热管冷却模式之前，目标组件通常主要通过气隙热开关组件冷却，该气隙热开关组件在此期间通常处于其闭合状态。该初始冷却过程称为预冷却模式。另外，热管的壳体在系统处于非低温温度时可以提供另一个有效的热流路径，即使冷却剂在此期间可能完全是气态的，气态冷却剂的对流也是如此。

如上所述，该系统和方法在低温下获得特别的益处。通常，在热管冷却模式期间，第二冷却级的温度在25开尔文和27开尔文之间。此外，在气隙冷却模式期间，第二冷却级的温度通常在4开尔文和27开尔文之间。

如上所述，热管和热开关组件一起形成热开关，可以操作该热开关以使目标组件能够达到低于第二冷却级的温度。因此目标组件包括目标制冷机是特别希望的，并且该方法还包括以下步骤：

v)在步骤(iv)之后抽空一个或多个气隙热开关，以使目标组件与第二冷却级基本上热隔离；以及

vi)在低温冷却模式期间通过操作目标制冷机冷却目标组件，以使目标组件采用低于第一级和第二冷却级的温度。

步骤(i)至(vi)通常按顺序进行。一旦当目标组件和第二冷却级处于近似热平衡(例如彼此在1开尔文内)时，通常执行步骤(v)。因此，可以响应于对于目标制冷机和第二冷却级获得的监测温度来执行步骤(v)。或者，可以通过改为使用从过去的实验获得的信息，基于这些部件中的仅一个的监测温度或不基于这些部件的检测温度来确定目标制冷机和第二冷却级处于近似热平衡。

一旦在步骤(iv)中热管内的冷却剂冻结，则有效地停止遍及热管的热传递。因此，步骤(v)防止了第二冷却级和目标组件之间的任何进一步的热传递。因此，在此时打开第二冷却级和目标组件之间的热开关。在低温冷却模式期间，目标组件的温度优选低于5开尔文，并且更优选地低于4开尔文。

附图说明

现在将参考附图描述本发明的实施例，其中：

图1是根据第一实施例的低温冷却系统的示意图；

图2是根据第二实施例的低温冷却系统的示意图；

图3是用于第一实施例和第二实施例的系统的气隙热开关的示意图；

图4是示出了第一实施例和比较例的部件的冷却时间的比较的曲线图；以及

图5是示出了用于操作第一实施例的低温冷却系统的方法的实施例的流程图。

具体实施方式

现在将描述低温冷却系统的第一实施例。参考图1，示出了无冷冻剂冷却系统的内部的剖视图，该冷却系统的主要部分是低温恒温器1。低温恒温器在本领域中是公知的，并且用于为各种设备提供低温环境。在使用时低温恒温器1通常被抽空，这是通过对低温恒温器内的气体去除对流和导热路径来改善热性能。本实施例中的低温恒温器1是无致冷剂的低温恒温器，因为它不含液氦储存器，而该低温恒温器的冷却则通过使用来自机械制冷机的传导冷却来实现。然而，尽管术语是“无冷冻剂”，但通常在使用时在低温恒温器内存在一些冷却剂(在该情况下为氦)，包括处于液相的冷却剂。

低温恒温器1的主要冷却功率由脉冲管制冷机(PTR)2形式的机械制冷机提供。PTR同样已知用于无冷冻剂应用，并且PTR通常在低温恒温器1内以一个或多个低温级提供冷却功率。在本例中，PTR 2将PTR的第一级3冷却至约50至70开尔文，将PTR 2的第二级4冷却至约3至5开尔文。低温恒温器1形成为大的中空圆筒体，通常由不锈钢或铝制成，低温恒温器1包括外部真空容器5。可以在低温恒温器1中提供端口(未示出)，以使实验“探针”能够进入低温恒温器1的内部用于提供样品输送，同时保持低温恒温器1内的真空。在外部真空容器5内部提供各种热辐射屏蔽件，其中每个屏蔽件包围每个其余的更低基准温度部件(lowerbase temperature components)。在图1中，第一热辐射屏蔽件40示出为直接连接到第一级3，并且第二热辐射屏蔽41示出为直接连接到第二级4。

低温组件10定位在低温恒温器1内，这用作真空环境内的分层平台。用于执行低温程序(例如实验)的各种装置的大多数装置安装于组件10。组件10包括第一平台6、第二平台7、第三平台8和第四平台9。每个平台由高导电率铜形成，并通过低导热率杆与另一平台间隔开。每个平台6、7、8、9可以以与第一热辐射屏蔽件40和第二热辐射屏蔽件41类似的方式连接到相应的热辐射屏蔽件(为了清楚起见未示出)，以便减少整个组件10不需要的热连通。

该第一平台6将PTR 2的第二级4连接到热管17的上端。第一平台6构造成由于第二级4的冷却效果而达到约4开尔文的基准温度。第二平台7支撑稀释制冷机15的蒸馏室14，并且第二平台7在使用期间由蒸馏室14冷却。因此，第二平台7通常具有0.5-0.7开尔文的基准温度。第三平台8主要用作第二平台7和第四平台9之间的中间热级，并且当稀释制冷机15完全运行时第三平台8实现50-100毫开尔文的基准温度。第四平台9支撑稀释制冷机15的混合室18和目标装置20。第四平台9还连接到热管17的下端。第四平台9在使用期间由混合室18冷却，因此第四平台9通常达到3-7毫开尔文的基准温度。

第四平台9、目标装置20和混合室18的组合形成目标组件。目标组件的部件彼此紧密热连通，因此在系统运行期间采用相同的温度。目标组件构造为冷却至比低温恒温器1的其余组件更低的温度。目标装置20包括用于接收样品保持器的对接站，该样品保持器构造为支撑在其上执行低温实验的样品。目标装置20可以具有高质量(例如超过10kg)并且在这种情况下具有50kg的质量。由于其相应的高热质量，诸如此类的高质量通常需要长的冷却时间。然而，根据所描述的装置和技术，该冷却时间显著缩短。

由三个气隙热开关11、12、13形成的热开关组件延伸穿过低温组件10。第一气隙热开关11具有连接到第一平台6的上端，以及连接到第二平台7的下端。第二气隙热开关12具有连接到第二平台7的上端，以及连接到第三平台8的下端。第三气隙热开关12具有连接到第三平台8的上端，以及连接到第四平台9的下端。

每个气隙热开关的操作和结构是相同的。为了举例，图3更详细地示出了第一气隙热开关11的结构。第一气隙热开关11包括由圆筒形套筒55形成的壳体，以及第一凸缘53和第二凸缘54，第一凸缘53和第二凸缘54连接到套筒55的相对两端。壳体由不锈钢制成，因此在低温温度下具有低导热率。第一凸缘53和第二凸缘54分别直接安装于第一平台6和第二平台7(图1)。

第一导体51和第二导体52共线地布置在第一气隙热开关11的壳体内。这些圆柱形导体由铜形成，因此在低温温度下具有高导热率。第一导体51和第二导体52各自的远端分别连接到第一凸缘53和第二凸缘54。在这些导体51、52的近端，这些导体51、52的相对面在运行期间由小间隙57(具有通常小于0.1mm的最小长度)分开。设置气体供应管线31，用于在壳体内提供导热气体的输入，以便当热开关11闭合时，使导体51、52之间的热传导穿过间隙57。所选择的导热气体通常是氦-3，因为它的沸点低，但是所选择的导热气体可以另外地或替代地包括氦-4。通过使壳体排空来打开第一气隙热开关11，以防止穿过间隙57的热传导。在低温温度下，这使第一凸缘53与第二凸缘54基本上热隔离，从而防止穿过第一气隙热开关11的热传递。

热管17平行于热开关组件布置。热管17的第一部分(设置在热管17的上端)直接连接到第一平台6，热管17的第二部分(设置在热管17下端)直接连接到第四平台9。热管17可以被认为是基本上由不锈钢形成的封闭的中空圆筒。热管17的上端具有由铜形成的内部上表面30，内部上表面30可以以截头圆锥形方式(或为双曲线圆锥形)成形，以便提供位于圆筒内大致中心的点(实际是沿着圆筒的轴线)。上表面30设置有电阻丝形式的电加热器(未示出)。可以操作该加热器以控制上表面30的温度。

热管17的操作原理如下。热管17的内部容纳冷却剂(在这种情况下为氖)，冷却剂形成传热介质。基于热管17的操作温度和压力计算用于冷却剂的冷冻剂的量。热管17的有效温度范围由热管17内的冷冻剂的沸点和熔点限定。当热管上端的温度使气态冷冻剂冷凝时，在热管17的两端实现强的热连接。然后，重力将液体冷凝物向下拉动到上表面30的最低点，然后液体冷凝物从最低点那里直接滴到下端。到达热管17下端的液体从下端吸收热量，使冷冻剂蒸发，然后向上传递到上端。在与上表面30接触时，冷冻剂气体再次冷凝并作为液体落到下端。因此，建立了由重力驱动的循环。

上表面30上的连续冷凝过程和下表面上的蒸发在热管17的两个相应端部之间产生强的热连接。如果上端达到对于热管内给定操作压力下的气体冷凝而言过高的温度，则该连接实质性变弱。因此，热连接显著变弱，因为尽管可能发生气体对流，但是不再能获得与气体和液体之间的状态变化相关的焓。相反，如果上端(或实际上为下端)的温度足够低以致使冷冻剂凝固，则热循环效应停止并且各个端部彼此热隔离。

现在返回图1，提供冷却剂回路以实现稀释制冷机15的正常运行。这里，冷凝管线36形式的第一管线通过外部泵37将冷却回路的第一侧连接到稀释制冷机15的内部。蒸馏室泵送管线39形式的第二管线将稀释制冷机15的第二侧连接到泵37、42。其中一个泵是强力的涡轮分子泵37，用于在回路的低压侧提供高真空(例如小于0.1毫巴)；另一个泵是小型压缩机泵42，用于泵送冷凝管线中的冷却剂(0.5至2巴)。当使用时，从外部储存容器32提供工作流体(氦-4和氦-3同位素的混合物)，在稀释制冷机中液化工作流体，然后根据这种制冷机的正常操作进行循环工作流体。

储存容器32还构造成经由气体供应管线31将导热气体供应到每个气隙热开关11、12、13。通过气泵35的操作或在储存容器32施加的压力下，控制导热气体通过气体供应管线31的供应。另一个储存单元设置在储存容器32内，用于沿热管供应管线33为热管17供应冷却剂并且供应至热管17。通过热管泵34的操作或在由储存容器32施加的压力下，控制沿着热管供应管线33的工作流体的流动。可以调节热管17内的工作流体的量，以便促进跨越热管17的热传递，该热传递的温度范围比使用固定量的工作流体实现的温度范围更宽。因此，可以控制热管17内的冷却剂的压力，以便将冷却剂保持为液体/气体混合物。

在替代实施例中，用于热开关和热管的储存单元可以形成位于第二热辐射屏蔽件内的低温组件的一部分。可以为所有气隙热开关提供共用储存单元(如图1所示)，或者每个气隙热开关可以设置用于该开关的专用储存单元。

第一实施例的控制系统38控制系统的每个部分，包括制冷机、加热器、泵和相关阀门的操作，传感器的监控和其他辅助设备的操作，以对样品执行所需的程序。尽管也设想了手动控制，但使用合适的计算机系统来实现这点。

现在将参考图2简要描述低温冷却系统的第二实施例。第二实施例与第一实施例大致相似，并且已经使用了撇号的附图标记(primed reference numerals)来表示相似的特征。第二实施例与第一实施例的不同之处尤其在于，设置连续氦-3制冷机代替稀释制冷机15。连续氦-3制冷机包括第一浴槽45a'和第二浴槽45b'。第一浴槽45a'构造成含有通常在1.3开尔文的基准温度下的液氦-4，第二浴槽45b'构造成含有通常在0.3开尔文的基准温度下的液氦-3。为每个浴槽45a'、45b'提供一组专用的导管和泵，以便允许容纳在每个浴槽中的流体循环。根据传统技术操作氦-3制冷机，以将目标装置20'冷却到低于PTR 2'的第二级4'的基准温度的温度。

第二实施例的低温组件10'具有三个平台和两个气隙热开关11'、12'。第一气隙热开关11'在第一平台6'和第二平台7'之间延伸。第二气隙热开关12'在第二平台7'和第三平台8'之间延伸。样品20'和第二浴槽45b'设置在第三平台8'上。第一浴槽45a'设置在第二平台7'上。热管17'的上端结合到第一平台6'，热管17'的下端结合到第三平台8'。与第一实施例相比，在第二实施例中对于每个平台将实现更不同的基准温度，但是操作原理大致相同。

现在将参考图5的流程图讨论用于操作由第一实施例描述的冷却系统的方法的实施例。另外，参考图4，其中在温度-时间图上绘制第一实施例的系统的不同部件的温度。图4还示出了与第一实施例相同的比较例(使用50kg目标装置)中的这些部件的温度，但是其中比较例没有设置热管。纵坐标(y轴)示出温度(以开尔文表示)，横坐标(x轴)示出归一化冷却时间，其中“1”对应于约70小时的运行时间。

根据第一实施例的混合室18的温度显示为曲线501，而根据比较例的混合室的温度显示为曲线401(均标记为“MC冷板”)。样品20与混合室18紧密热连通，因此可以假设样品始终具有与混合室大致相等的温度。因此，曲线501可以被认为是显示目标组件的温度。根据第一实施例的PTR 2的第二级4的温度显示为曲线502，而根据比较例的PTR的第二级的温度显示为曲线402(均标记为“PT2冷板”)。最后，根据第一实施例的PTR 2的第一级3的温度显示为曲线503，而根据比较例的PTR的第一级的温度显示为曲线403(均标记为“PT1冷板”)。

该系统最初处于约290-300开尔文的环境温度，此时用于稀释制冷机15的工作流体容纳在储存容器32内。热管17容纳预定量的工作流体(气态形式)，并且气隙热开关11、12、13各自容纳预定量的导热气体。然后，在步骤101，操作PTR 2以便开始系统达到低温温度的冷却过程(从归一化时间零开始)。初始冷却过程被称为“预冷却模式”，在初始冷却过程期间热管17对于其工作流体冷凝而言太暖。相反，热传递主要通过气隙热开关11、12、13在低温组件10上发生。在预冷却模式期间，PTR 2的第一级3最初以比第二级4快得多的速率冷却。这通过曲线的相对负梯度来说明，该曲线示出了0-0.1的归一化时间段的第一级3和第二级4的温度。第一级3和第二级4在0.2的归一化时间处处于大致相同的温度，并且此后第二级4具有比第一级3更低的温度。然后，第二级4继续以更快的速率冷却，直到它在0.25-0.55的归一化时间段内暂时稳定在约45开尔文。

第一实施例和比较例的系统的部件各自以大致相同的速率冷却直到0.25的归一化时间。此时，第二级4的温度足够冷，以使热管17内的工作流体在上端30处冷凝。然后，在第一实施例中开始“热管冷却”模式并持续到0.55的归一化时间。

在0.25的归一化时间，热管17的上表面30的温度使热管17内的冷却剂冷凝。冷凝的氖在重力作用下从热管17的上端落到热管17的下端，并在与基座接触时蒸发(如前所述)。该过程使热管17的下端快速冷却，并因此使混合室18(其与热管17的下端紧密热连通)冷却。在热管冷却模式期间热管17是可操作的，以便在低温组件10的上端和下端之间提供显著增加的有效导热率。从曲线401和501之间的差异可以看出这一点。

图4还示出了在热管17可操作时第一实施例中第二级4的温度502如何比在比较例中更高。该升高的温度部分地是由于在第一实施例中从混合室18向第二级4传导的热量更多。相比较，在比较例中，不设置热管使得第二级4在0.25和0.55的归一化时间之间更快地冷却而没有这种升温影响。

在步骤102操作热管17的上表面30内的加热器，以防止上表面30的温度充分降低而造成冷却剂冻结。在本实施例中，使用布置在第一平台6上的温度传感器实现该控制，并且调节提供给电加热器的功率，以便将监测的温度保持在高于24.6开尔文。在0.25和0.55的归一化时间之间，相对于比较例，该加热进一步有助于第一实施例中第二级4的升高的温度。

第二温度传感器布置成监测混合室18和目标装置20的温度。当混合室18的温度下降到低于预定值(在该实例中为30开尔文)时，加热器关闭。然后，使第二级4的温度降低，以使热管17内的工作流体开始冻结。当上表面30的温度为24.6开尔文或更低时，会发生这种情况。

当热管17内的工作流体完全冻结时，开始“气隙冷却模式”。这发生在0.55的归一化时间。此时，借助于气隙热开关11、12、13内的导热气体，主要在第二级4和混合室18之间传递热量。在该模式期间，热管17不再可操作，因此第二级4和混合室18之间的有效导热率显著小于热管冷却模式期间的有效导热率。因此，第二级4的温度比在热管冷却模式期间更快地降低，因为第二级受较暖的混合室18的影响更小。这通过在0.55-0.57的归一化时间段期间曲线502的梯度的减小可看到。然后，当第二级4接近其基准温度4开尔文时，第二级4的温度逐渐降低。由于第二级4变冷，第一级3的温度也降低。通过图4中曲线403和503的比较可以看出这一点。

如曲线501所示，由于混合室18与第二级4之间的减弱的热连接，在进入气隙冷却模式时，混合室18的冷却速率开始降低。然而，在0.57的归一化时间，第二级4的温度已经充分降低，以促进混合室18和第二级4之间热流的增加。然后，混合室18的温度更快地降低，直到混合室18的温度最终等于第二级4的温度。此时，使用气泵35将气隙热开关11、12、13内的导热气体抽空并返回到储存容器32。这在步骤103执行。在替代实施例中，可以使用低温恒温器内部的一个或多个泵(例如吸附泵)来执行抽空。基于气隙热开关11、12、13的温度，可在冷却过程期间有利地自动操作这种泵。

可以使用先前描述的温度传感器直接监测第二级4和混合室18处于热平衡的时间点。在所示实施例中，这发生在0.6的归一化时间。然而，在替代实施例中，不设置温度传感器，因为可以根据运行时间基于过去的实验来预测各种部件的冷却特性。或者，可以基于另一部件(例如，第二级4)的监测温度通过使用从先前实验获得的信息来推断一种部件(例如，混合室18)的温度。

导热气体的抽空使每个气隙热开关置于打开状态，以便将不同平台6、7、8、9彼此热隔离。这使气隙冷却模式结束。然后，在步骤104开始“低温冷却模式”，其中操作稀释制冷机15以使混合室18进一步冷却。在替代实施例中，步骤104可以与步骤103同时启动,或者可能在步骤103之前启动。低温冷却模式是在冷却过程中发生的第四个且最后一个冷却模式。该冷却模式使稀释制冷机15能够达到其基准温度。

在步骤104，氦-3/氦-4混合物从储存容器32流过冷却剂回路并在蒸馏室14和混合室18之间流动。稀释制冷机15的正常运行将使第二平台7、第三平台8和第四平台9的温度进一步降低，直到达到它们各自的基准温度。这通常可以在第一实施例中0.75的时间段发生。相比之下，在比较例中，这仅发生在1.15的归一化时间段。热管17能够使冷却时间缩短40％：在这种情况下等于28小时。与现有技术的低温系统(例如其中经由预冷却回路将机械制冷机的第二级热连接到目标装置)相比，冷却时间可以发生更大缩短。与这样的系统(上述的现有技术的低温系统)相比，如本文所讨论的热开关组件和热管的组合使用通常将冷却时间缩短了约七分之五。

因此本发明提供了一种低温冷却系统，其有利地使目标组件能够从室温更快地冷却到低温温度。该系统限制了液体冷冻剂的消耗，并消除了对活动件的需求。此外，所描述的方法和系统适合于在相对短的时间范围内冷却高热质量目标组件。因此，该系统克服了上述所示的与现有技术相关的问题。

Claims (23)

1.一种低温冷却系统，包括：

机械制冷机，其具有第一冷却级和第二冷却级，所述第二冷却级构造成达到比所述第一冷却级更低的基准温度；

热管，其具有热耦合到所述第二冷却级的第一部分和热耦合到目标组件的第二部分，在使用时所述热管适于容纳可冷凝的气态冷却剂；

热开关组件，其包括一个或多个气隙热开关，所述热开关组件具有热耦合到所述第二冷却级的第一端和热耦合到所述目标组件的第二端；

其中，所述低温冷却系统适于在热管冷却模式下操作，在所述热管冷却模式中所述第二冷却级的温度低于所述第一冷却级的温度，并且其中，所述目标组件的温度使所述热管的第二部分内的冷却剂是气态的并且所述第二冷却级的温度使所述热管的所述第一部分中的所述冷却剂冷凝，由此通过冷凝的液体冷却剂从所述热管的第一部分到所述热管的第二部分的移动而使所述目标组件冷却；

其中，所述低温冷却系统还适于在气隙冷却模式下操作，在所述气隙冷却模式中所述第二冷却级的温度使所述冷却剂冻结；并且

其中，所述热开关组件适于在所述气隙冷却模式期间经由所述一个或多个气隙热开关从所述第二冷却级向所述目标组件提供冷却。

2.根据权利要求1所述的系统，还包括目标制冷机，其中，所述目标组件包括所述目标制冷机的冷却元件，所述冷却元件构造成达到比所述第一冷却级和第二冷却级更低的基准温度。

3.根据权利要求2所述的系统，其中，所述目标制冷机包括稀释制冷机，所述稀释制冷机包括蒸馏室、冷却构件和混合室，其中所述冷却构件布置在所述蒸馏室和所述混合室之间，并且其中所述混合室形成所述冷却元件。

4.根据权利要求3所述的系统，其中，所述热开关组件包括第一气隙热开关、第二气隙热开关和第三气隙热开关；

其中，所述第一气隙热开关与所述第二冷却级和所述蒸馏室热耦合，其中，所述第二气隙热开关与所述蒸馏室和所述冷却构件热耦合，其中，所述第三气隙热开关与所述冷却构件和所述混合室热耦合。

5.根据权利要求1或2所述的系统，还包括布置在所述第二冷却级和所述目标组件之间的冷却构件；

其中，所述热开关组件包括与所述第二冷却级和所述冷却构件热耦合的第一气隙热开关，以及与所述冷却构件和所述目标组件热耦合的第二气隙热开关。

6.根据权利要求1所述的系统，还包括热辐射屏蔽件，所述热辐射屏蔽件在所述第二冷却级和所述热开关组件之间形成热连接。

7.根据权利要求1所述的系统，其中，所述一个或多个气隙热开关构造成在所述气隙冷却模式期间容纳导热气体。

8.根据权利要求7所述的系统，其中，每个所述气隙热开关包括不锈钢壁，所述不锈钢壁构造成容纳所述导热气体，以使热传导遍及所述开关。

9.根据权利要求7或8所述的系统，其中，每个所述气隙热开关包括沿共同主轴对准的两个细长导体，其中所述细长导体通过间隙彼此分开，所述间隙构造成在所述气隙冷却模式期间容纳所述导热气体。

10.根据权利要求7或8所述的系统，其中，所述热开关组件还构造成从所述一个或多个气隙热开关移除所述导热气体，以便使所述第二冷却级与所述目标组件热隔离。

11.根据权利要求7所述的系统，还包括目标制冷机，其中，所述目标组件包括所述目标制冷机的冷却元件，所述冷却元件构造成达到比所述第一冷却级和第二冷却级更低的基准温度，其中，所述低温冷却系统还适于在低温冷却模式下操作，在所述低温冷却模式中所述冷却剂被冻结，所述导热气体被从所述一个或多个气隙热开关移除，以及由所述冷却元件冷却所述目标组件，以达到比第一冷却级和第二冷却级更低的温度。

12.根据权利要求1所述的系统，其中所述目标组件包括目标装置。

13.根据权利要求12所述的系统，其中所述目标组件为布置成接收支撑样品的样品载体的对接站形式。

14.根据权利要求1所述的系统，其中，所述热管包括壳体，所述壳体限定用于容纳所述冷却剂的内部容积，并且所述壳体容纳彼此流体连通的所述热管的第一部分和第二部分。

15.根据权利要求14所述的系统，其中，所述壳体由不锈钢形成。

16.根据权利要求1所述的系统，其中，用于所述热管的所述可冷凝冷却剂包括氖。

17.根据权利要求1所述的系统，其中，所述机械制冷机选自包括如下的组：脉冲管制冷机、斯特林制冷机和吉福德-麦克马洪制冷机。

18.一种操作低温冷却系统的方法，所述低温冷却系统包括：机械制冷机，其具有第一冷却级和第二冷却级，所述第二冷却级构造成达到比所述第一冷却级更低的基准温度；热管，其具有热耦合到所述第二冷却级的第一部分和热耦合到目标组件的第二部分，所述热管容纳可冷凝的气态冷却剂；包括一个或多个气隙热开关的热开关组件，所述热开关组件具有热耦合到所述机械制冷机的第二冷却级的第一端和热耦合到所述目标组件的第二端；

所述方法包括以下步骤：

i)使所述目标组件采用足以确保所述热管的第二部分内的所述冷却剂处于气相的温度；

ii)操作所述机械制冷机以使所述第二冷却级采用使所述热管的第一部分内的所述冷却剂冷凝的温度；

iii)在热管冷却模式期间冷却所述目标组件，所述热管冷却模式中通过使冷凝的液体冷却剂从所述热管的第一部分移动到所述热管的第二部分，而使所述第二冷却级的温度低于所述第一冷却级的温度；以及

iv)在气隙冷却模式期间冷却所述目标组件，所述气隙冷却模式中所述第二冷却级的温度使所述热管内的冷却剂冻结，并且其中通过所述第二冷却级经由所述一个或多个气隙热开关对所述目标组件施加进一步冷却。

19.根据权利要求18所述的方法，其中，在所述热管冷却模式期间，所述第二冷却级的温度在25开尔文和27开尔文之间。

20.根据权利要求18或19所述的方法，其中，在所述气隙冷却模式期间，所述第二冷却级的温度在4开尔文和27开尔文之间。

21.根据权利要求18或19所述的方法，其中，所述目标组件包括目标制冷机，所述方法还包括以下步骤：

v)在步骤(iv)之后抽空所述一个或多个气隙热开关，以使所述目标组件与所述第二个冷却级热隔离；以及

vi)在低温冷却模式期间通过操作目标制冷机冷却目标组件，以使目标组件采用低于第一级和第二冷却级的温度。

22.根据权利要求21所述的方法，其中，在所述低温冷却模式期间，所述目标组件的温度低于5开尔文。

23.根据权利要求22所述的方法，其中，在所述低温冷却模式期间，所述目标组件的温度低于4开尔文。

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