[发明专利]低温冷却系统

说明书

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。

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。