一种用于极低温绝热去磁制冷机中的磁热模块

本发明属于极低温绝热去磁制冷，尤其涉及一种用于极低温绝热去磁制冷机中的磁热模块。

背景技术：

1、绝热去磁制冷作为极低温制冷技术中的主流制冷技术，在凝聚态物理、空间探测、量子技术等基础和前沿科研领域中扮演着重要角色，其具有覆盖温区广、本征效率高、不依赖重力和稀缺工质等突出优点。

2、极低温绝热去磁制冷的基本原理是磁热材料的磁热效应。磁热效应是磁热材料的一种固有属性，它是指磁热材料在变化的磁场中磁有序度发生变化，从而引起磁熵变化，进一步导致磁热材料自身温度升高或降低的物理现象。绝热去磁制冷系统的主要结构包括超导磁体、磁屏蔽、磁热模块、热开关、热沉和被冷却器件等。

3、其中，磁热模块是绝热去磁制冷机中的核心部件，也是极低温绝热去磁制冷技术中冷量的来源，其主要由磁热材料和传热结构构成。在极低温绝热去磁制冷技术中，其制冷循环一般采用逆卡诺循环，主要包括以下四个热力过程：绝热励磁、等温励磁、绝热退磁和等温退磁。当励磁过程时，磁热模块需要将自身产生的热量传导并释放至热沉中，而在退磁过程中，磁热模块则需要将产生的冷量传递到热负荷中，因此，磁热模块需要有较好的热传导性能。在极低温区，磁热模块中磁热材料一般采用含配位水的顺磁盐晶体，包括faa(fe(so4)2nh4·12h2o，铁氨矾)、cpa(crk(so4)2·12h2o，铬钾矾)和cmn(ce2mg3(no3)12·24h2o，硝酸铈镁)等。而这些含配位水的顺磁盐晶体在1k以下的极低温区热导率较差，仅凭这些顺磁盐晶体本身导热是难以在有限的时间内将产生的热量/冷量传递至热沉/被冷却器件。因此，磁热模块中需要有一定的导热结构来加强本身的热传导。

4、相关技术中，常常采用顺磁盐生长在一束金属线(通常金属线材质为铜或金)或由一整根粗的铜棒经线切割制成多根细铜棒上的方式强化磁热模块的内部传热。虽然这确实加强了磁热模块的内部传热，但同时也带来了一些新的问题。对于采用金属线的磁热模块传热结构，由于需要将数量较多的金属线(一般为500根以上)的两端均焊接在端部导热结构上(如铜棒)来实现热量的交换，而焊接部分在极低温下的热接触较差，线束与铜棒间存在较大温差，所以会导致绝热去磁制冷机冷量的损失。此外，磁热模块中的金属线束需要人工逐根穿插，并需要控制线与线之间尽量平行、不接触，线束的制作工艺复杂且人力投入大。而对于采用线切割的磁热模块传热结构，虽然不需要额外的金属线穿插工作，但由于线切割的工艺限制，细铜棒的直径较金属线偏大，在有限体积的磁热模块内，传热结构的体积占比过大会挤占磁热材料在空间内的体积，导致磁热材料的用量减小，进而使制冷机的最大总冷量减小。此外，线切割获得的细铜棒直径相对较大，在变化的磁场中产生的涡流加热效应更为显著，也会给绝热去磁制冷机的冷量带来一定的损耗。因此，在极低温区，针对于这些问题，有必要开发一种可用于极低温绝热去磁制冷机磁热模块中的简便、高效的传热结构。

技术实现思路

1、为解决上述背景技术中提到的至少一个问题，本发明的目的在于，提供一种用于极低温绝热去磁制冷机中的磁热模块。

2、本发明通过如下技术方案实现：

3、一种用于极低温绝热去磁制冷机中的磁热模块，包括：

4、磁热模块侧管壳，所述磁热模块侧管壳内设有空腔，侧壁上设有连通所述空腔的开口；

5、导热装置，所述导热装置包括导热组件和导热结构，所述导热组件包括多层卷绕成圆柱形的导热翅片，每层导热翅片之间设有间隙用于容纳磁热材料，所述导热组件轴向延伸的安装于所述空腔内且每层导热翅片的中心轴同轴，所述导热结构固定于所述磁热模块侧管壳的两端将所述空腔密封，所述导热结构还用于向外进行传递热量。

6、可选的，所述导热组件还包括支撑翅片，所述支撑翅片呈方块型的片状，多层导热翅片均垂直穿设于所述支撑翅片上使得每层导热翅片的中心轴在所述支撑翅片的高度方向延伸。

7、可选的，每层导热翅片均包括多片呈弧形的弧形翅片，每片弧形翅片固定于所述支撑翅片上形成圆柱形的导热翅片，每片弧形翅片之间设有翅片切缝。

8、可选的，所述支撑翅片为一体式或分段式，当所述支撑翅片为一体式时，所述支撑翅片呈方块型的一块片状，每层导热翅片的中心轴跟所述支撑翅片的竖向中心平分线重合；当所述支撑翅片为分段式时，所述支撑翅片呈方块型的面积相等的两块片状，每块支撑翅片的最外沿终止于最外层的导热翅片，最内沿终止于最内层的导热翅片。

9、可选的，所述支撑翅片为一个或多个。

10、可选的，所述导热翅片和支撑翅片上均设有多个小孔。

11、可选的，所述导热结构包括端盖和导热棒，所述端盖的一端盖合于所述空腔，另一端固定所述导热棒使得所述导热棒沿着远离所述端盖的方向延伸。

12、可选的，所述端盖盖合于空腔的一端设有多个适配于所述导热组件的端部的槽口，所述端盖上还开设有多条径向延伸的端盖切缝。

13、可选的，所述导热结构还包括一片或多片导热片，所述导热片固定于所述端盖安装有导热棒的一端且与所述导热棒接触。

14、可选的，所述开口设有两个，分别用于生长顺磁盐晶体时的进料口和出料口。

15、本发明的有益效果是：本发明的用于极低温绝热去磁制冷机中的磁热模块，解决现有相关技术中磁热模块内部的传热技术存在着加工难度大(加工复杂，且精度要求较高)、人工投入成本高和冷量损失大(极低温下的焊接热阻影响明显，且由线切割获得的细铜棒由于横截面大而导致涡流加热明显)等问题，提出既加工制作简便、又传热高效、且使制冷机冷量损失小的结构。实现有益效果：本发明的用于极低温绝热去磁制冷机中的磁热模块，通过采用分体式或一体式翅片结构，使磁热模块导热结构的制作加工更简单高效、安装更便捷，安装需求的人力投入成本更低。相比于现有的磁热模块导热结构，本发明中的磁热模块的导热结构在内部导热结构和上、下端盖的配合上，由于采用的是翅片与槽口，配合更为可靠、高效。此外，本发明中的磁热模块采用分体式或一体式翅片导热结构，端盖设槽口和切缝等特征，使传热更为高效、涡流加热引起的冷量损失更小。在本发明的端部导热组件上由于可采用多个扇形体或三棱柱组装结合在一起可形成圆柱体或多边棱柱，这能够使端部导热组件的结构更加紧凑，极大地节省安装空间和安装难度，同时由于组装结合形成的传热结构的径向截面较小，有利于减小涡流加热效应，更加有利于达到更好的磁屏蔽效果。

技术特征：

1.一种用于极低温绝热去磁制冷机中的磁热模块，其特征在于，包括：

2.根据权利要求1所述的用于极低温绝热去磁制冷机中的磁热模块，其特征在于，所述导热组件还包括支撑翅片，所述支撑翅片呈方块型的片状，多层导热翅片均垂直穿设于所述支撑翅片上使得每层导热翅片的中心轴在所述支撑翅片的高度方向延伸。

3.根据权利要求2所述的用于极低温绝热去磁制冷机中的磁热模块，其特征在于，每层导热翅片均包括多片呈弧形的弧形翅片，每片弧形翅片固定于所述支撑翅片上形成圆柱形的导热翅片，每片弧形翅片之间设有翅片切缝。

4.根据权利要求3所述的用于极低温绝热去磁制冷机中的磁热模块，其特征在于，所述支撑翅片为一体式或分段式，当所述支撑翅片为一体式时，所述支撑翅片呈方块型的一块片状，每层导热翅片的中心轴跟所述支撑翅片的竖向中心平分线重合；当所述支撑翅片为分段式时，所述支撑翅片呈方块型的面积相等的两块片状，每块支撑翅片的最外沿终止于最外层的导热翅片，最内沿终止于最内层的导热翅片。

5.根据权利要求4所述的用于极低温绝热去磁制冷机中的磁热模块，其特征在于，所述支撑翅片为一个或多个。

6.根据权利要求2所述的用于极低温绝热去磁制冷机中的磁热模块，其特征在于，所述导热翅片和支撑翅片上均设有多个小孔。

7.根据权利要求1所述一种用于极低温绝热去磁制冷机中的磁热模块，其特征在于，所述导热结构包括端盖和导热棒，所述端盖的一端盖合于所述空腔，另一端固定所述导热棒使得所述导热棒沿着远离所述端盖的方向延伸。

8.根据权利要求7所述一种用于极低温绝热去磁制冷机中的磁热模块，其特征在于，所述端盖盖合于空腔的一端设有多个适配于所述导热组件的端部的槽口，所述端盖上还开设有多条径向延伸的端盖切缝。

9.根据权利要求7所述一种用于极低温绝热去磁制冷机中的磁热模块，其特征在于，所述导热结构还包括一片或多片导热片，所述导热片固定于所述端盖安装有导热棒的一端且与所述导热棒接触。

10.根据权利要求1所述一种用于极低温绝热去磁制冷机中的磁热模块，其特征在于，所述开口设有两个，分别用于生长顺磁盐晶体时的进料口和出料口。

技术总结
本发明公开一种用于极低温绝热去磁制冷机中的磁热模块，包括磁热模块侧管壳和导热装置，所述磁热模块侧管壳内设有空腔，侧壁上设有连通所述空腔的开口；所述导热装置包括导热组件和导热结构，所述导热组件包括多层卷绕成圆柱形的导热翅片，每层导热翅片之间设有间隙用于容纳磁热材料，所述导热组件轴向延伸的安装于所述空腔内且每层导热翅片的中心轴同轴，所述导热结构固定于所述磁热模块侧管壳的两端将所述空腔密封，所述导热结构还用于向外进行传递热量。该磁热模块制作加工更简单高效、安装更便捷，使传热更为高效、涡流加热引起的冷量损失更小，有利于减小涡流加热效应，更加有利于达到更好的磁屏蔽效果。

技术研发人员：沈俊,郑文帅,赵雅楠,陈卓,高嘉浩,卢忆安,杨珑,刘俊,李振兴
受保护的技术使用者：北京理工大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/15