一种可无振动运行的绝热去磁制冷系统及制冷方法

本发明涉及低温制冷，尤其涉及一种可无振动运行的绝热去磁制冷系统及制冷方法。

背景技术：

1、随着凝聚态物理、空间测量、两只技术等前沿科学领域的发展，极低温制冷需求日益增加，极低温制冷技术通常是至获取低于1k温度并提供一定冷量的制冷技术，目前常用的极低温制冷技术主要由吸附制冷、稀释制冷和绝热去磁制冷。

2、adr即绝热去磁制冷作为最早出现的极低温温制冷技术之一，具有高效、不依赖重力条件和稀缺资源氦3气体等优点，成为空间应用中最具有发展潜力的极低温制冷技术，绝缘去磁制冷基于顺磁材料随外界磁场变化产生的磁热效应进行制冷，其基本构成包括磁热模块、磁体、热开关、热沉和冷头，理想adr在热沉温度和制冷温度间由等温磁化、绝热去磁、等温去磁和绝热磁化四个过程进行逆卡诺循环，磁热模块被磁化至高于热沉温度一定程度后，闭合热沉和磁热模块之间的热开关，磁热模块进行等温磁化，释放磁化热给热沉，直至达到目标磁场上限；断开热沉与磁热模块之间的热开关，磁热模块绝热去磁并降温至制冷温度，在由热负荷状态下，控制去磁速率，使磁热模块进行等温去磁并产生冷量维持热负荷温度恒定；当磁场温度降低至目标磁场下限时，保持热开关断开，使磁热模块在绝热条件下磁化再生，升温至热沉温度后，重复上述步骤。但在某些实际应用中，需要严格安静的极低温环境，例如空间分辨率达到纳米级甚至皮米级的现代显微镜对外部振动及其敏感，而机械式4k制冷机的压缩机单元和冷头都会产生较大的振动。

技术实现思路

1、为了解决制冷单元在进行制冷时产生振动的问题，本发明提出一种可无振动运行的绝热去磁制冷系统及制冷方法。

2、本发明通过以下技术方案实现的：

3、本发明提出可无振动运行的绝热去磁制冷系统包括绝热去磁模块，构架模块和预冷模块，其中：

4、所述构架模块包括套在所述绝热去磁模块外侧的二级冷屏；

5、所述绝热去磁模块包括磁热模块，所述磁热模块底部连接有负荷，所述磁热模块通过第二热开关与热沉连接；

6、所述磁热模块上下两侧与悬挂结构连接，所述悬挂结构外沿固定在磁屏蔽的上下端面，所述磁热模块通过所述悬挂结构固定在环形超导磁体的中间，所述磁热模块与所述超导磁体不接触；

7、所述绝热去磁模块包括所述磁屏蔽，所述磁屏蔽顶部一侧通过铜棒与所述热沉连接；

8、所述热沉顶部一侧设有第一热开关，所述二级冷屏顶部还设有二级冷盘，所述二级冷盘与所述二级冷屏固定连接，所述热沉通过所述第一热开关与所述二级冷盘连接，所述热沉通过低导热支撑柱与所述二级冷盘固定；

9、所述预冷模块位于所述二级冷盘顶部与所述二级冷盘连接。

10、进一步的，还包括一级冷屏和一级冷盘，所述一级冷屏套在所述二级冷屏外侧，所述一级冷屏与所述一级冷盘固定连接。

11、进一步的，所述一级冷盘底部通过低导热支撑柱与所述二级冷盘顶部固定连接。

12、进一步的，所述一级冷盘底部一侧设有二级冷头，所述二级冷头顶部一侧与所述一级冷盘连接，所述二级冷头底部一侧设有柔性连接件，所述二级冷头底部通过所述柔性连接件与所述二级冷盘固定连接。

13、进一步的，还包括真空罩和密封盘，所述真空罩套于所述一级冷屏的外侧，所述真空罩与所述密封盘固定连接。

14、进一步的，所述密封盘底部通过低导热支撑柱与所述一级冷盘固定连接。

15、进一步的，所述密封盘底部还设有一级冷头，所述一级冷头位于所述密封盘底部靠近所述二级冷头一侧，所述一级冷头顶部与所述密封盘连接，所述一级冷头底部与所述一级冷盘连接。

16、进一步的，还包括预冷制冷机，所述预冷制冷机的室温部分位于所述密封盘靠近所述一级冷头一侧，所述预冷制冷机的室温部分与所述密封盘连接。

17、进一步的，所述预冷制冷机与所述真空罩之间设有减震波纹管。

18、进一步的，一种可无振动运行的绝热去磁制冷系统的制冷方法包括正常制冷模式和无振动制冷模式，其中，所述正常制冷模式包括以下步骤：

19、预冷制冷机启动进行制冷，闭合第一热开关和第二热开关，通过预冷模块对绝热去磁模块进行预冷；

20、预冷到热沉温度之后，绝热去磁模块进行运作，磁热模块被磁化的同时被冷却，达到目标磁场后，断开第二热开关，随后进行绝热去磁，等温去磁制冷，绝热磁化，然后闭合第二热开关，进行等温磁化，进入周期性制冷。此模式中预冷制冷机一直保持运行状态，第一热开关始终处于闭合状态，为正常制冷模式；

21、所述无振动制冷模式包括以下步骤：

22、预冷制冷机启动进行制冷，闭合第一热开关和第二热开关，通过预冷模块对绝热去磁模块进行预冷；

23、预冷到热沉温度之后，绝热去磁模块进行运作，磁热模块被磁化的同时被冷却，达到目标磁场后，断开第二热开关和第一热开关，同时预冷制冷机停止运行，预冷模块与绝热去磁模块处于传热断开状态，磁热模块进行绝热去磁和等温去磁制冷，此模式中预冷制冷机一直处于停止运行状态，第一热开关始终处于断开状态，为无振动制冷模式；

24、预冷制冷机重新启动进行制冷，闭合第一热开关和第二热开关，绝热去磁模块进行运作，磁热模块被磁化的同时被冷却，达到目标磁场后，断开第二热开关和第一热开关，同时预冷制冷机停止运行，开启新一轮无振动制冷模式。

技术特征：

1.一种可无振动运行的绝热去磁制冷系统，其特征在于，包括绝热去磁模块，构架模块和预冷模块，其中：

2.根据权利要求1所述的可无振动运行的绝热去磁制冷系统，其特征在于，所述还包括一级冷屏和一级冷盘，所述一级冷屏套在所述二级冷屏外侧，所述一级冷屏与一级冷盘固定连接。

3.根据权利要求2所述的可无振动运行的绝热去磁制冷系统，其特征在于，所述一级冷盘底部通过低导热支撑柱与所述二级冷盘顶部固定连接。

4.根据权利要求3所述的可无振动运行的绝热去磁制冷系统，其特征在于，所述一级冷盘底部一侧设有二级冷头，所述二级冷头顶部一侧与所述一级冷盘连接，所述二级冷头底部一侧设有柔性连接件，所述二级冷头底部通过所述柔性连接件与所述二级冷盘固定连接。

5.根据权利要求4所述的可无振动运行的绝热去磁制冷系统，其特征在于，还包括真空罩和密封盘，所述真空罩套于所述一级冷屏的外侧，所述真空罩与所述密封盘固定连接。

6.根据权利要求5所述的可无振动运行的绝热去磁制冷系统，其特征在于，所述密封盘底部通过低导热支撑柱与所述一级冷盘固定连接。

7.根据权利要求6所述的可无振动运行的绝热去磁制冷系统，其特征在于，所述密封盘底部还设有一级冷头，所述一级冷头位于所述密封盘底部靠近所述二级冷头一侧，所述一级冷头顶部与所述密封盘连接，所述一级冷头底部与所述一级冷盘连接。

8.根据权利要求7所述的可无振动运行的绝热去磁制冷系统，其特征在于，还包括预冷制冷机，所述预冷制冷机的室温部分位于所述密封盘靠近所述一级冷头一侧，所述预冷制冷机的室温部分与所述密封盘连接。

9.根据权利要求8所述的可无振动运行的绝热去磁制冷系统，其特征在于，所述预冷制冷机与所述真空罩之间设有减震波纹管。

10.一种根据权利要求1-9所述的可无振动运行的绝热去磁制冷系统的制冷方法，其特征在于，包括正常制冷模式和无振动制冷模式，其中，所述正常制冷模式包括以下步骤：

技术总结
本发明提出一种可无振动运行的绝热去磁制冷系统，具体涉及低温制冷技术领域,所述可无振动运行的绝热去磁制冷系统包括绝热去磁模块，构架模块和预冷模块。本发明通过在绝热去磁模块和预冷模块之间设置热开关，来控制热量的导通。闭合热开关时绝热去磁模块保持正常制冷模式，而通过断开热开关并且同时停止预冷制冷机，系统可以切换到无振动制冷模式，实现大幅降低机械振动以及电磁干扰，满足高端应用需求，本系统在保持传统绝热去磁模块结构设置的同时，可以实现两种制冷模式切换，整个系统结构简单，可操作性强。

技术研发人员：戴巍,李雅楠,李珂,刘萍
受保护的技术使用者：中国科学院理化技术研究所
技术研发日：
技术公布日：2024/4/17