稀释制冷装置和方法与流程

稀释制冷装置和方法
1.本发明涉及一种稀释制冷装置和方法。
2.本发明更具体地涉及一种稀释制冷装置，该稀释制冷装置包括工作回路，该工作回路呈包含循环流体的环路形式，该循环流体包括氦-3(3he)和氦-4(4he)的混合物，该工作回路包括混合室、蒸发器和传输构件，这些部件串联设置并且经由一组管线流体连接，回路被配置成将混合室的出口连接至蒸发器的入口并且将蒸发器的出口连接至传输构件的入口，回路还被配置成将传输构件的出口连接至混合室的入口，该装置进一步包括至少一个冷却构件，该至少一个冷却构件与工作回路进行热交换并且被配置成将冷能传递至循环流体，该至少一个冷却构件包括例如吉福德-麦克马洪类型或脉冲管类型的低温制冷器，该装置包括支撑件、流体密封的外壳(9)。
3.本发明特别地涉及一种低温或极低温(意指可能降低至介于1毫开到约100毫开的范围的温度)的低温制冷装置和方法。
4.实际上，获得约1毫开到约100毫开的温度的制冷功率的传统手段是氦-3/氦-4稀释制冷器。
5.文件fr 2914050 a1描述了一种稀释制冷装置中使用的低温制冷器类型的冷却系统。
6.然而，将低温制冷器与稀释制冷装置联接(热关联和机械关联)可能会向稀释制冷装置传递振动。这些振动是有害的，因为这些振动会导致过度消耗功率或过度加热以及对经稀释制冷装置冷却的物体造成寄生噪音。
7.另外，由于需要大量的流体回路，已知的装置相对复杂并且较为笨重。
8.本发明的目的是克服上述现有技术的缺陷中的全部或一些缺陷。
9.为此，根据本发明的、在其他方面也符合在上文前序部分中给出的其一般定义的装置的实质性特征在于，该外壳的开放端部经由流体密封的柔性波纹管机械地连接至支撑件，低温制冷器的上端部固定至支撑件，该装置进一步包括容纳在外壳中的流体密封的护套，低温制冷器的下端部在护套中、在波纹管内部延伸，使得外壳和护套至少部分地与低温制冷器所产生的振动机械隔绝，工作回路包括流体喷射管线，该流体喷射管线经由在护套中的流体密封的通路将传输构件的出口连接至混合室的入口，喷射管线与低温制冷器和支撑件在机械上脱离联接，也就是说喷射管线至少部分地与低温制冷器所产生的振动机械隔绝，并且工作回路包括一组返回管线，这组返回管线经由在护套中的循环气体通路将蒸发器的出口连接至在外壳之外的传输构件的入口，循环流体涌入到该通路中并且在护套的与低温制冷器的下端部接触的体积内循环。
10.因此，根据本发明的装置与低温制冷器一起操作，而不使冷稀释部分经受低温制冷器的振动或对振动过于敏感。
11.此外，该系统是紧凑的并且可以仅使用同一单一流体作为工作流体和护套中的气氛。
12.此外，本发明的实施例可以包括以下特征中的一个或多个：
[0013]-喷射管线与低温制冷器和在蒸发器的出口与传输构件的入口之间在护套中循环
的循环流体进行热交换，
[0014]-这组返回管线包括第一部分返回管线和第二部分返回管线，该第一部分返回管线在护套下端部处通向护套以便将循环气体喷射到其中，该第二部分返回管线的下端部与护套的上端部连通以便收集循环气体，
[0015]-低温制冷器的下端部包括至少一个热交换器，该至少一个热交换器用于冷却循环气体，第一部分返回管线通向所述热交换器的下方，以便将喷射到护套中的循环流体流定向成与该至少一个热交换器接触，
[0016]-该至少一个热交换器在其厚度内包括一个或多个通路、例如孔口和/或翅片，该一个或多个通路沿竖直方向定向以容纳至少一部分经由第一部分返回管线涌出的循环气体流，
[0017]-这组返回管线也与低温制冷器和支撑件在机械上脱离联接，也就是说这组返回管线至少部分地与低温制冷器所产生的振动机械隔绝，
[0018]-喷射管线固定至护套的内壁和/或悬挂在该护套中，
[0019]-混合室和蒸发器安装在位于外壳中的壳和/或容器中，传输构件位于外壳之外，
[0020]-在操作配置下，低温制冷器的下端部包括第一部分和第二部分，该第一部分被冷却至在4k与100k之间、例如等于50k的第一温度，该第二部分被冷却至在2k与8k之间、例如等于4k的第二温度，
[0021]-该至少一个冷却构件包括位于蒸发器的入口上游的另一冷却系统、例如焦耳-汤姆逊类型的冷却器，
[0022]-支撑件包括第一基座，该第一基座安装在第一组支腿、例如三个支腿上，
[0023]-支撑件包括第二基座，该第二基座位于第一基座下方并且安装在第二组支腿、例如三个支腿上，波纹管(10)的两个端部分别连接至第一基座和第二基座，
[0024]-外壳机械地连接至第二基座。
[0025]
本发明还涉及一种使用根据上文或下文特征中的任一特征的装置的稀释制冷方法，该方法包括：通过低温制冷器制冷的步骤；对工作回路中的循环流体进行循环的步骤，该方法进一步包括以下步骤中的至少一个步骤：调节护套中的气体量，将护套中的压力调节至确定值，例如接近大气压力、尤其是在0巴与2巴之间，将护套中的压力调节至与氦-4在低温制冷器的最低温度下的液化压力相对应的压力。
[0026]
本发明还可以涉及包括权利要求范围内的上文或下文特征的任何组合的任何替代性的装置或方法。
[0027]
通过阅读以下参考附图给出的描述，进一步的特定特征和优点将变得显而易见，在附图中：
[0028]
[图1]示出了展示根据本发明的装置的结构和操作的可能示例的示意性局部视图，
[0029]
[图2]示出了展示用于这种装置的支撑结构的另一示例的简化示意性局部视图。
[0030]
[图3]示出了展示装置的热交换器的结构的示例的简化示意性局部俯视图。
[0031]
[图1]所示的稀释制冷装置1包括呈包含循环流体的环路形式的工作回路2。这种循环流体包括氦-3(3he)和氦-4(4he)的混合物。
[0032]
这个工作回路2形成例如闭合的环路并且包括混合室3、蒸发器5和传输构件6(例
如泵或其他装置)，这些部件串联设置并且经由一组管线12、13、130流体连接。工作回路2的这组管线特别地被配置成将混合室3的出口连接至蒸发器5的入口并且将蒸发器5的出口连接至传输构件6的入口。
[0033]
此外，回路2的这组管线还被配置成将传输构件6的出口连接至混合室3的入口。通常，热交换部分(简洁起见未示出)可以设置在混合室3与蒸发器5之间的逆流管线之间。
[0034]
装置1进一步包括至少一个冷却构件，该至少一个冷却构件与工作回路2进行热交换，并且该至少一个冷却构件被配置成将冷能传递至循环流体(也就是说，通过向所述循环流体供应冷却功率来对其进行冷却)。
[0035]
这种稀释系统使得可以在混合室3处产生非常低的温度。这通常可以用于冷却应用(用附图标记22示意性地示出)并且其耗散功率尤其可以随着时间变化。
[0036]
尤其可以实现介于1毫开与100毫开之间的范围内的温度。
[0037]
冷却构件包括例如吉福德-麦克马洪类型或脉冲管类型的低温制冷器4(但是可以设想任何其他合适的低温制冷单元)。
[0038]
装置1包括支撑件7、8以及流体密封的外壳9。
[0039]
外壳9包括例如流体密封的罐(典型地由不锈钢、铝或任何其他合适材料制成)，该罐的开放端部经由流体密封的柔性波纹管10以机械和流体密封的方式连接至支撑件7、8。例如，柔性件是由液压成形的不锈钢制成的波纹形成的。当然，任何其他类型的振动阻尼和/或过滤连接件都可以替代前述波纹管10或作为其补充，例如边缘焊合的波纹管或弹性体套管。例如，支撑件包括基座8，该基座在使用位置时是水平的并且安装在第一组支腿7、例如三个支腿7上。
[0040]
低温制冷器4例如通过螺纹连接固定至支撑件7、8。
[0041]
如所展示的，低温制冷器4的上端部可以安装在支撑件的基座8上(尤其是以流体密封的方式通过基座8)。
[0042]
装置1进一步包括流体密封的护套90，该护套容纳在外壳9中并且还形成流体密封的封闭体积。
[0043]
例如，外壳9的内部体积处于真空下(处于比外部压力低的压力下)。
[0044]
例如，护套90包括流体密封的金属罐或壳、或由其构成。护套90例如固定至外壳9的上端部。例如，护套90的开放的上端部(若必要，经由连接件或振动阻尼元件)悬挂或连接至外壳9的上端部。低温制冷器4的下端部在波纹管10内部、在护套90中延伸(并且因此在容纳这些部件的外壳9中延伸)。
[0045]
根据这种布置，外壳9和护套90(以及其所包含的部件)至少部分地(尤其是通过波纹管10)与低温制冷器4所产生的振动机械隔绝。
[0046]
混合室3和蒸发器5可以容纳/安装在位于外壳9中的流体密封的壳900中、尤其是容纳/安装在容纳在这个壳900中的容器300中。
[0047]
传输构件6位于外壳9之外。例如，壳900的体积所形成的体积可以或可以不与护套90的体积连通。
[0048]
优选地，外壳9的体积、壳900的体积以及容器300的体积处于真空下并且彼此连通但不与护套90的体积连通，护套的体积处于独立的气氛下(护套90的体积包含例如以下中的至少一种：氦3、氦4)。
[0049]
工作回路2包括循环流体喷射管线12(其可以是例如白铜毛细管或铜毛细管)，该循环流体喷射管线经由在护套90和外壳9中的(流体密封的)通路将传输构件6的出口连接至混合室3的入口。喷射管线12与低温制冷器4进行热交换(该低温制冷器对该喷射管线进行冷却)。例如，低温制冷器4包括与低温制冷器4的冷部分接触的板和/或冷却交换器16、17。
[0050]
例如，在操作配置下，低温制冷器4的在护套90中的下端部包括第一部分16(第一平台)和第二部分17(第二平台)，该第一部分被冷却至例如在4k与100k之间(例如等于50k)的第一温度，该第二部分被冷却至在2k与8k之间(例如等于4k)的第二温度。
[0051]
此外，所述喷射管线12与低温制冷器4和支撑件7、8在机械上脱离联接，也就是说喷射管线12至少部分地与低温制冷器4所产生的振动机械隔绝。
[0052]
因此，喷射管线12不直接机械地连接或固定至低温制冷器4或与低温制冷器4关联的元件，从而不被后者的振动加阻尼。例如，喷射管线12在不与支撑件7、8接触的情况下固定至外壳9。替代性地或累加地，喷射管线12固定至护套90中的元件，所述元件与低温制冷器4的振动机械隔绝。例如，喷射管线12经由具有一个或多个振动隔绝系统(密封件、阻尼器等)的隔绝通路穿过支撑件8而不触碰该支撑件和/或外壳9和/或护套90。在护套90中，喷射管线12可以(例如通过焊接和/或胶合)固定至护套90的内壁和/或可以悬挂在护套90中。特别地，喷射管线12不在低温制冷器4的板16、17((多个)冷平台或交换器)的高度处产生机械接触。
[0053]
喷射管线12通过存在于容纳低温制冷器4的外壳90中的气体热联接至低温制冷器4。因此获得的连续热交换器允许对构成循环气体的混合物进行有效的预冷却，同时避免将振动传输至装置1的下部平台。
[0054]
如所展示的，至少一种循环气体冷却构件可以进一步包括位于蒸发器5的入口上游的另一冷却系统、例如焦耳-汤姆逊类型的冷却器50(或任何其他合适的系统、例如1-k pot)。
[0055]
工作回路2进一步包括一组返回管线13、130，这组返回管线经由在护套90中的循环气体通路将蒸发器5的出口连接至在冷箱之外的传输构件6的入口，循环流体涌入并在护套90的与低温制冷器4的下端部(直接)接触的体积内循环。
[0056]
例如，这组返回管线包括第一部分返回管线13和第二部分返回管线130，该第一部分返回管线在护套90的下端部处通向护套90以便将循环气体喷射到其中，该第二部分返回管线的下端部与护套90的上端部连通以便收集循环气体。
[0057]
这组返回管线13、130也与低温制冷器4和支撑件7、8在机械上脱离联接，也就是说这组返回管线至少部分地与低温制冷器4所产生的振动机械隔绝。
[0058]
因此，循环流体(h3-he4气体的混合物)从底部循环到顶部并且直接与喷射管线2和低温制冷器4的热交换器16、17进行交换。热交换器16、17优选地在4k和50k的中间平台上受热学作用(thermalize)(也就是说被冷却)，从而可以恢复从蒸发器5返回的工作气体的冷能并且优化对沿相反方向从顶部到底部循环的工作流体的预冷却。因此，护套90中的热交换器16、17周围的气氛并非由静态气体构成。这促进了热交换。这使得可以使用较少的气体并且能够更加容易地降到更低的温度(4k以下、例如等于2.8k)。这通过保持护套90的围绕低温制冷器4的冷部分的体积中的气态气氛而实现。
[0059]
替代性地，来自此气氛的气体可以被液化并且可以在护套90的底部处形成浴。
[0060]
这种结构有助于减少或消除与低温制冷器4的冷部分的机械关联，并且因此不传递振动。
[0061]
此外，可以使用同一单一类型的气体作为工作气体和护套90中的这种气态气氛。
[0062]
低温制冷器4的下端部可以包括至少一个热交换器17，该至少一个热交换器用于冷却循环气体、尤其是护套90的体积中的气氛中的循环气体。第一部分返回管线13可以有利地通向所述热交换器17下方，以便使上升的循环流体流被定向成与这个热交换器17接触。
[0063]
这个热交换器17可以包括设置有(多个)通路、例如孔口170和/或翅片的结构，这些通路沿竖直方向定向以容纳至少一部分经由第一部分返回管线13涌出的循环气体流(参见[图3])。这提高了不同部分(尤其是流体)之间的热交换效率。
[0064]
例如，装置1可以被配置成将护套90中的压力保持在确定值，例如接近大气压力、尤其是在0巴与2巴之间。例如，目标压力是氦在低温制冷器4的最低温度(例如5k、4k、2.5k等)下的液化压力。
[0065]
支撑件可以包括第一基座8，该第一基座水平地安装在第一组支腿7、例如三个支腿(均衡的系统)上。
[0066]
如[图2]中示意性示出的，支撑件可以包括第二基座20，该第二基座位于第一基座8下方并且安装在第二组支腿21、例如三个支腿上。波纹管10的两个端部可以分别连接至第一基座8和第二基座20。第二基座20例如通过波纹管10连接至第一基座8，外壳9例如机械地连接至第二基座20。
[0067]
这种具有双均衡框架的结构使得可以更好地将装置1中的反作用力和振动脱离联接。
[0068]
组7、8和20、21可以固定至同一参考表面或固定至两个相应不同的参考表面。
[0069]
波纹管10也可以并联设置有柱或支柱(例如其中三个)以避免在装置1的运输期间和在装置的安装、维护和操作期间对波纹管10及其他部件造成任何潜在损坏。可以使用每个柱与相应的凸缘之间的水平间隙(在xy平面中)以验证安装是否正确对准。
[0070]
可以消除或采用竖直间隙(在z上)(例如，“运输”模式或“操作”模式)。在“操作”模式下，竖直间隙使得可以释放/优化波纹管10的工作，同时保持防止波纹管10在失效的情况下被压破这一安全机能。
[0071]
该装置具有优于现有技术的其他优点。例如，因此改善了维护容易程度。具体地，通过解除低温制冷器与装置1的其他冷元件之间的机械接触，在300k下拆卸(螺钉或其他)就足以在支撑件上对低温制冷器4执行工作。
[0072]
除了或替代外部泵，该装置可以包括泵或低温压缩机，该泵或低温压缩机用于例如在回路的第一冷平台处(例如在77k或50k或4k的温度下)对工作流体流进行循环，以便增大工作回路2中的压力并保持更高效的热交换机制。