專(zhuān)利名稱(chēng)：用于使用靜態(tài)和移動(dòng)氣體來(lái)控制低溫的低溫恒溫器中的溫度的方法和設(shè)備的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明總體上涉及低溫恒溫器(cryostat)中的溫度調(diào)節(jié)，使用此類(lèi)低溫恒溫器的示意性目的在于作為用于調(diào)節(jié)低溫測(cè)量室中的溫度的設(shè)備和方法，同時(shí)使用低溫冷卻器作為制冷源來(lái)冷卻超導(dǎo)磁體。
背景技術(shù)：
已經(jīng)可用系統(tǒng)來(lái)采用低溫恒溫器對(duì)低溫區(qū)域中的溫度進(jìn)行調(diào)節(jié)。此類(lèi)低溫恒溫器的一個(gè)用途在于測(cè)試試樣(specimen)的物理性質(zhì)。關(guān)于針對(duì)不同性質(zhì)來(lái)測(cè)試各種類(lèi)型試樣的物理性質(zhì)的需求近年來(lái)顯著增加。目前存在這樣的系統(tǒng)，該系統(tǒng)用于通過(guò)編制任意順 序的溫度和場(chǎng)掃描(field sweep)及步驟來(lái)表示在各種測(cè)量情況下各種材料的物理特征，以這種順序來(lái)表示樣本(sample)試樣的各種物理性質(zhì)。此類(lèi)系統(tǒng)通常包括低溫室，該低溫室具有多個(gè)熱屏、諸如氦的冷卻劑、冷卻源(低溫冷卻器)、超導(dǎo)磁體、樣本室、和用于控制溫度的設(shè)備，所有這些項(xiàng)目可被稱(chēng)為低溫恒溫器。低溫測(cè)試室中的溫度調(diào)節(jié)需要熱能的供應(yīng)與損耗之間的精密平衡，并且已設(shè)計(jì)各種方法以在低(冷凍)溫度下完成此類(lèi)任務(wù)。具體控制方案的效率的一個(gè)測(cè)量是溫度范圍的寬度，在該溫度范圍上控制能有效且高效地保持，以及在該范圍中任何溫度處實(shí)現(xiàn)持久性和穩(wěn)定性。整個(gè)系統(tǒng)性能的附加測(cè)量是冷卻劑使用量，優(yōu)選為較低的使用率。此類(lèi)測(cè)量系統(tǒng)的一個(gè)實(shí)例使用設(shè)計(jì)為執(zhí)行各種自動(dòng)測(cè)量的可變溫度場(chǎng)控制設(shè)備。為進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，該系統(tǒng)需要快速地改變磁場(chǎng)(一般在土 16特斯拉之間)，同時(shí)保持磁體一般在大約4. 2K的恒溫處。同時(shí)，包含樣本試樣和相關(guān)實(shí)驗(yàn)設(shè)備的室通常以任意順序的溫度(范圍從大約400K至低于約2K)來(lái)控制。該功能需要這樣一種系統(tǒng)設(shè)計(jì)，該系統(tǒng)設(shè)計(jì)能在不同的溫度下將各種量的冷卻功率傳送至該系統(tǒng)的不同部件。此外，通常的測(cè)試進(jìn)度要求實(shí)現(xiàn)低于典型低溫冷卻器的最冷級(jí)的樣本溫度(大部分實(shí)際情況下為4. 2K)并且因此采用液氦連續(xù)流的蒸發(fā)處理。通常，吉福德-麥克馬洪(GM)或GM型脈沖管低溫冷卻器(PTC)用于此目的。PT低溫冷卻器在不同的溫度級(jí)運(yùn)行時(shí)提供不同量的冷卻功率。較高的溫度級(jí)提供比較低溫度級(jí)明顯更高的冷卻功率。此類(lèi)低溫冷卻器的一個(gè)實(shí)例是PT410 (由紐約州雪城的Cryomech公司銷(xiāo)售)，其可以在50K的溫度級(jí)提供大約40W的冷卻功率，但在4. 2K的級(jí)僅能提供大約一瓦特的冷卻功率。許多目前可用的設(shè)計(jì)致力于提供可變冷卻功率至超導(dǎo)磁體和樣本室，這通過(guò)采用多級(jí)PTC (三級(jí)或更多級(jí))與用于將低溫冷卻器耦接至低溫恒溫器組件的剩余部分的各種方法的組合一起來(lái)實(shí)現(xiàn)。PTC與低溫恒溫器的其他元件(諸如固定的熱交換器單元)之間的柔性編織金屬聯(lián)接(link)通常被用作將PTC冷卻元件物理地耦接至低溫恒溫器剩余部分。使用柔性物理聯(lián)接或固定的熱交換器限制了測(cè)量系統(tǒng)的模塊性及使用，這是因?yàn)槲锢砺?lián)接對(duì)PTC與其他低溫恒溫器元件之間的熱交換設(shè)定了上限，并且如果需要增加的熱交換率則附加的熱耦接件是必需的?？偟膩?lái)說(shuō)，低溫冷卻器與低溫恒溫器的剩余部分之間的物理耦接明顯使維護(hù)變得復(fù)雜并且增加了整個(gè)系統(tǒng)的復(fù)雜性和成本。典型的脈沖管低溫冷卻器單元在正常的操作情況下產(chǎn)生頻率大約為IHz的振動(dòng)。因而，一種采用物理聯(lián)接的系統(tǒng)將多余的振動(dòng)能從PTC傳送入樣本區(qū)域，這對(duì)于對(duì)較小運(yùn)動(dòng)特別敏感的應(yīng)用是不利的，諸如光學(xué)干涉度量法，其中需要特別注意防止PTC的振動(dòng)能污染樣本信號(hào)。已致力于將樣本信號(hào)從PTC的振動(dòng)運(yùn)動(dòng)中分離。一些目前可用的低溫測(cè)量系統(tǒng)使用分離的再冷凝器模塊，以將氣態(tài)的冷卻劑轉(zhuǎn)換為液態(tài)形式，這種液態(tài)形式通常是在最低溫度下的低溫恒溫器操作所需的。該方法增加了系統(tǒng)的復(fù)雜性和成本，同時(shí)限制了使用的靈活性，因?yàn)樵倮淠鲉卧枰锢斫佑|PTC。本技術(shù)領(lǐng)域中已認(rèn)識(shí)到通常需要多個(gè)(或多級(jí))低溫冷卻器單元以獲得非常低的溫度，大約
4.2K或更低?！ぴ诓煌瑴囟认逻B接和分離不同的低溫冷卻器級(jí)的挑戰(zhàn)性任務(wù)已在一個(gè)先有技術(shù)實(shí)例中的得以解決，該實(shí)例采用具有至少三個(gè)級(jí)的低溫冷卻器設(shè)備與多個(gè)熱交換器的相結(jié)合，以將冷卻功率從不同的級(jí)輸送至低溫恒溫器中的期望區(qū)域。其他先有技術(shù)至少理論上提供了這樣的教導(dǎo)，機(jī)械閥可用于在多級(jí)低溫冷卻器操作期間可打開(kāi)和關(guān)閉耦接管，以調(diào)節(jié)冷卻功率分布。然而，構(gòu)造可靠的低溫閥的難度限制了該方法的實(shí)用性。一種用于調(diào)節(jié)低溫室中溫度的替換方法使用雙毛細(xì)管入口室和多級(jí)冷卻器/加熱器設(shè)備。雖然此類(lèi)設(shè)計(jì)允許在期望范圍上在樣本室中的平滑溫度調(diào)節(jié)，但其增加了測(cè)量設(shè)備的成本和復(fù)雜性，并且不能滿足當(dāng)超導(dǎo)磁體在掃描模式(sweep mode)中操作時(shí)將額外的冷卻功率傳送至超導(dǎo)磁體的需要。

發(fā)明內(nèi)容
在體現(xiàn)本發(fā)明原理的用于溫度調(diào)節(jié)的系統(tǒng)中，由超導(dǎo)磁體產(chǎn)生變化的磁場(chǎng)。在一個(gè)實(shí)施方式中，通過(guò)選擇性地將冷卻功率從低溫冷卻器組件傳送至該系統(tǒng)設(shè)備內(nèi)部的不同區(qū)域，來(lái)在各種溫度范圍下控制樣本室中的溫度。該磁體組件至少部分保持在4. 2K的大致恒定的溫度處，這通過(guò)與熱傳導(dǎo)元件固體傳導(dǎo)接觸來(lái)實(shí)現(xiàn)，該熱傳導(dǎo)元件由通過(guò)低溫冷卻器冷凝的氣態(tài)或液態(tài)氦進(jìn)行冷卻。此類(lèi)布置允許對(duì)樣本試樣同時(shí)進(jìn)行溫度掃描和控制(在400K至低于2K之間)，以及允許使用單個(gè)的多級(jí)氦溫度低溫冷卻器(不依賴(lài)于先有技術(shù)的物理聯(lián)接)、低溫移動(dòng)部件、以及用于熱分布和控制的機(jī)械閥來(lái)冷卻高磁場(chǎng)(high-field)超導(dǎo)磁體。本系統(tǒng)利用非常少的外部供給的氦氣來(lái)提供快速的初始冷卻(24小時(shí)或更少)，并且能夠長(zhǎng)時(shí)間的操作而無(wú)需維修，且使用最少的(如果有的話)氦氣補(bǔ)充。在本系統(tǒng)一般使用液氦在低溫冷卻器的底部操作的情況下，大約4. 2k的氣態(tài)氦就足夠了。本發(fā)明實(shí)施方式的設(shè)備特別用于去除由掃描超導(dǎo)磁體產(chǎn)生的大熱負(fù)載，這通過(guò)在冷卻器室的底部部分處的液態(tài)冷卻劑與磁體頂部凸緣之間提供非常高傳導(dǎo)性的聯(lián)接(實(shí)心(solid)板或桿)來(lái)實(shí)現(xiàn)。本發(fā)明實(shí)施方式的低溫恒溫器的結(jié)構(gòu)通過(guò)使用熱虹吸管效應(yīng)而避免了通常使用的柔性銅聯(lián)接，并且因此簡(jiǎn)化了低溫恒溫器的設(shè)計(jì)，并在冷卻設(shè)備與低溫恒溫器的剩余部分之間提供了大的熱傳導(dǎo)。從冷卻器室底部提取的液態(tài)氦的蒸發(fā)冷卻用于將樣本室冷卻至低于約2K。該液體通過(guò)在低溫冷卻器第二級(jí)上的冷凝產(chǎn)生并滴入冷卻室底部中的槽(pool)。該液態(tài)冷卻劑然后通過(guò)從冷卻器室底部中的槽引出的固定流量的毛細(xì)管傳送至蒸發(fā)室。在初始系統(tǒng)冷卻期間和在操作期間，磁體的冷卻機(jī)構(gòu)穿過(guò)磁體與冷卻器室的底部之間的4. 2K的實(shí)心傳導(dǎo)板。正常操作期間，冷卻室底部通過(guò)直接接觸冷卻室中的液體進(jìn)行冷卻。在初始系統(tǒng)冷卻期間，冷卻器室底部通過(guò)與低溫冷卻器的第一和第二級(jí)的浮力對(duì)流(buoyant convection)來(lái)進(jìn)行冷卻。更具體地，本發(fā)明包括用于調(diào)節(jié)溫度的低溫恒溫器設(shè)備，該設(shè)備包括在低溫恒溫器內(nèi)部的至少一個(gè)制冷部件(refrigerated component,冷凍部件)，所述至少一個(gè)制冷部件需要利用可變熱負(fù)載和操作溫度來(lái)進(jìn)行選擇性冷卻；低溫冷卻器室，具有壁以及至少一個(gè)環(huán)境溫度冷卻劑氣體入口端口，所述壁具有外表面和限定所述低溫冷卻器室的內(nèi)部的內(nèi)表面；
低溫冷卻器，具有至少一個(gè)降溫級(jí)，所述低溫冷卻器至少部分在所述低溫冷卻器室內(nèi)部；用于將低溫冷卻器設(shè)備連接至環(huán)境溫度冷卻劑氣體源的裝置；主進(jìn)氣管，用于將所述冷卻劑氣體源連接至所述氣體入口端口 ；至少兩個(gè)虹吸端口，穿過(guò)所述低溫冷卻器室的所述壁，一個(gè)所述虹吸端口布置為從所述低溫冷卻室去除氣態(tài)或液態(tài)形式的制冷冷卻劑，制冷冷卻劑已經(jīng)通過(guò)與所述低溫冷卻器的所述至少一個(gè)降溫級(jí)進(jìn)行熱交換而自環(huán)境溫度冷卻；至少一根冷卻劑管，將所述至少兩個(gè)虹吸端口中的一個(gè)連接至所述至少一個(gè)制冷部件；以及至少一根低溫恒溫器出口管，從所述至少一個(gè)制冷部件延伸至低溫恒溫器的外側(cè)并且配置為使冷卻劑在為所述至少一個(gè)制冷部件提供了冷卻之后流出低溫恒溫器。本發(fā)明進(jìn)一步限定為這樣一種用于調(diào)節(jié)溫度的低溫恒溫器設(shè)備，該設(shè)備包括在低溫恒溫器內(nèi)部的至少一個(gè)制冷部件，所述至少一個(gè)制冷部件需要利用可變熱負(fù)載和操作溫度來(lái)進(jìn)行選擇性冷卻；低溫冷卻器室，具有壁以及至少一個(gè)環(huán)境溫度冷卻劑氣體入口端口，所述壁具有外表面和限定所述低溫冷卻器室的內(nèi)部的內(nèi)表面；低溫冷卻器，具有至少一個(gè)降溫級(jí)，所述低溫冷卻器至少部分在所述低溫冷卻器室內(nèi)部；用于將低溫冷卻器設(shè)備連接至環(huán)境溫度冷卻劑氣體源的裝置；主進(jìn)氣管，用于將所述冷卻劑氣體源連接至所述氣體入口端口 ；至少兩個(gè)虹吸端口，穿過(guò)所述低溫冷卻器室的所述壁，一個(gè)所述虹吸端口布置為從所述低溫冷卻室去除氣態(tài)或液態(tài)形式的制冷冷卻劑，制冷冷卻劑已經(jīng)通過(guò)與所述低溫冷卻器的所述至少一個(gè)降溫級(jí)進(jìn)行熱交換而自環(huán)境溫度冷卻； 至少一個(gè)冷卻劑管，將所述至少兩個(gè)虹吸端口中的一個(gè)連接至所述至少一個(gè)制冷部件；至少一根低溫恒溫器出口管，從所述至少一個(gè)制冷部件延伸至低溫恒溫器的外側(cè)并且配置為使冷卻劑在為所述至少一個(gè)制冷部件提供了冷卻之后流出低溫恒溫器；以及外殼，具有頂部，所述外殼頂部的外表面處于環(huán)境溫度；
一個(gè)所述制冷部件包括環(huán)境溫度隔離閥；第一管，從所述隔離閥延伸穿過(guò)所述外殼頂部進(jìn)入所述外殼內(nèi)部；所述外殼內(nèi)部的第一級(jí)冷講(cold trap),所述管連接至該冷講；所述外殼內(nèi)部的第二級(jí)冷阱；以及第二管，從所述第一級(jí)冷阱延伸至所述第二級(jí)冷阱；以及吸附泵(sorption pum),I禹接在所述第二級(jí)冷講內(nèi)部。 進(jìn)一步限定本發(fā)明，其包括用于調(diào)節(jié)溫度的低溫恒溫器設(shè)備，該設(shè)備包括·
在低溫恒溫器內(nèi)部的至少一個(gè)制冷部件，所述至少一個(gè)制冷部件需要利用可變熱負(fù)載和操作溫度來(lái)進(jìn)行選擇性冷卻；低溫冷卻器室，具有壁以及至少一個(gè)環(huán)境溫度冷卻劑氣體入口端口，所述壁具有外表面和限定所述低溫冷卻器室的內(nèi)部的內(nèi)表面；低溫冷卻器，具有至少一個(gè)降溫級(jí)，所述低溫冷卻器至少部分在所述低溫冷卻器室內(nèi)部；用于將低溫冷卻器設(shè)備連接至環(huán)境溫度冷卻劑氣體源的裝置；主進(jìn)氣管道，用于將所述冷卻劑氣體源連接至所述氣體入口端口 ；至少兩個(gè)虹吸端口，穿過(guò)所述低溫冷卻器室的所述壁，一個(gè)所述虹吸端口布置為從所述低溫冷卻室去除氣態(tài)或液態(tài)形式的制冷冷卻劑，制冷冷卻劑已經(jīng)通過(guò)與所述低溫冷卻器的所述至少一個(gè)降溫級(jí)進(jìn)行熱交換而自環(huán)境溫度冷卻；至少一根冷卻劑管，將所述至少兩個(gè)虹吸端口中的一個(gè)連接至所述至少一個(gè)制冷部件；至少一根低溫恒溫器出口管，從所述至少一個(gè)制冷部件延伸至低溫恒溫器的外側(cè)并且配置為使冷卻劑在為所述至少一個(gè)制冷部件提供了冷卻之后流出低溫恒溫器；外殼，具有頂部，所述外殼頂部的外表面處于環(huán)境溫度下；在第一所述至少一根冷卻劑管內(nèi)的逆流熱交換器(CFE);以及第一環(huán)境溫度流量控制閥，在所述外殼外部連接至所述第一至少一根冷卻劑管，所述CFE包括加溫管，沿其長(zhǎng)度的至少一部分與冷卻管熱接觸，所述加溫管具有耦接至所述至少兩個(gè)虹吸端口中的一個(gè)的冷入口以及耦接至所述第一流量控制閥的熱出口；所述冷卻管具有耦接至所述流量控制閥的熱入口以及耦接至所述至少一個(gè)制冷部件的冷出口 ；所述CFE配置成控制制冷冷卻劑至所述至少一個(gè)制冷部件的流動(dòng)。本發(fā)明的方法被描述為這樣一種用于調(diào)節(jié)低溫恒溫器設(shè)備中的溫度的方法，該設(shè)備包括低溫冷卻器室，具有至少一個(gè)環(huán)境溫度氣體入口端口 ；低溫冷卻器，具有至少一個(gè)降溫級(jí)，所述低溫冷卻器至少部分在所述低溫冷卻器室內(nèi)；制冷容積(refrigerationvolume)，包括低溫冷卻器的至少一個(gè)降溫級(jí)與低溫冷卻器室的內(nèi)壁之間的空間，并且氣體入口端口穿透到該空間中；用于連接至環(huán)境溫度冷卻劑氣源的裝置；至少一個(gè)氣體或液體虹吸端口，位于低溫冷卻器室的壁內(nèi)；至少一個(gè)制冷部件，至少部分位于低溫恒溫器內(nèi)側(cè)且至少部分位于制冷容積外側(cè)，并且需要冷卻；冷卻劑管，將每個(gè)氣體或液體虹吸端口連接至所述至少一個(gè)制冷部件中的一個(gè)；至少一根低溫恒溫器出口管，從所述至少一個(gè)制冷部件的一個(gè)延伸至低溫恒溫器的外側(cè)并布置為使冷卻劑流出低溫恒溫器；該方法包括使環(huán)境溫度冷卻劑流入氣體入口端口并進(jìn)入低溫冷卻器室的制冷容積；使冷卻氣體流過(guò)制冷容積并因而通過(guò)與低溫冷卻器的一個(gè)或多個(gè)逐漸變冷的降溫級(jí)的熱交換來(lái)冷卻冷卻劑；通過(guò)至少一個(gè)虹吸端口從制冷容積抽取制冷冷卻劑；將制冷冷卻劑從至少一個(gè)虹吸端口傳送至所述至少一個(gè)制冷部件中的至少一個(gè)，以冷卻制冷部件；以及使冷卻劑經(jīng)由至少一個(gè)低溫恒溫器出口管從制冷部件流動(dòng)至外側(cè)。 本方法進(jìn)一步描述為這樣一種用于調(diào)節(jié)低溫恒溫器設(shè)備中的溫度的方法，該設(shè)備包括低溫冷卻器室，具有至少一個(gè)環(huán)境溫度氣體入口端口 ；低溫冷卻器，具有至少一個(gè)降溫級(jí)，該低溫冷卻器至少部分在低溫冷卻器室內(nèi)；制冷容積，包括低溫冷卻器的至少一個(gè)降溫級(jí)與低溫冷卻器室的內(nèi)壁之間的空間，并且氣體入口端口穿透至該空間中；用于連接至環(huán)境溫度冷卻劑氣源的裝置；至少一個(gè)氣體或液體虹吸端口，位于低溫冷卻器室的壁內(nèi)；至少一個(gè)制冷部件，至少部分位于低溫恒溫器內(nèi)側(cè)且至少部分位于制冷容積外側(cè)，并且需要冷卻；冷卻劑管，將每個(gè)氣體或液體虹吸端口連接至所述至少一個(gè)制冷部件中的一個(gè)；至少一根低溫恒溫器出口管，從所述至少一個(gè)制冷部件中的一個(gè)延伸至低溫恒溫器的外側(cè)并布置為使冷卻劑流出低溫恒溫器；至少一個(gè)虹吸端口，具體地定位成對(duì)制冷容積內(nèi)部的不同溫度的冷卻劑流進(jìn)行采樣；所述冷卻劑管中的至少一根冷卻劑管將至少一個(gè)氣體或液體虹吸端口連接至至少一個(gè)制冷部件，該至少一根冷卻劑管包括逆流換熱器(CFE)以及至少一個(gè)環(huán)境溫度流量控制閥，該CFE包括加溫管，該加溫管沿其長(zhǎng)度的一部分與冷卻管熱接觸，該加溫管具有連接至冷卻劑虹吸端口的冷入口以及連接至第一環(huán)境溫度流量控制閥的熱出口，該冷卻管具有連接至至少一個(gè)環(huán)境溫度流量控制閥的熱入口以及耦接至至少一個(gè)制冷部件的冷出口，其中CFE布置為控制制冷冷卻劑至至少一個(gè)制冷部件的流動(dòng)，該方法包括使環(huán)境溫度冷卻劑流入氣體入口端口并進(jìn)入低溫冷卻器室的制冷容積；使冷卻氣體流過(guò)制冷容積并因而通過(guò)與低溫冷卻器的一個(gè)或多個(gè)逐漸變冷的降溫級(jí)的熱交換來(lái)冷卻冷卻劑；通過(guò)至少一個(gè)虹吸端口從制冷容積抽取制冷冷卻劑；將制冷冷卻劑從至少一個(gè)虹吸端口傳送至所述至少一個(gè)制冷部件中的至少一個(gè)，以冷卻制冷部件；以及使冷卻劑經(jīng)由至少一個(gè)低溫恒溫器出口管從制冷部件流動(dòng)至外側(cè)。通過(guò)第一虹吸端口從制冷容積抽取制冷冷卻劑的一部分，該虹吸的冷卻劑被冷卻至大于冷卻器的最小降溫級(jí)的溫度；通過(guò)至少一個(gè)附加的虹吸端口從制冷容積抽取冷卻劑流的另一部分，該虹吸的冷卻劑已冷卻至小于第一虹吸端口的溫度；通過(guò)一下方式控制制冷冷卻劑至至少一個(gè)制冷部件的流動(dòng) 使從至少一個(gè)虹吸端口中的一個(gè)抽取的制冷冷卻劑流動(dòng)進(jìn)入CFE的冷入口 ；通過(guò)與CFE中的冷卻流的熱交換來(lái)逐漸對(duì)冷卻劑流加溫，直到該冷卻劑流被加溫至環(huán)境溫度；使環(huán)境溫度的冷卻劑通過(guò)環(huán)境溫度流量控制閥；使用環(huán)境溫度流量控制閥來(lái)控制冷卻劑流；以及通過(guò)與CFE中的暖流進(jìn)行熱交換來(lái)逐漸冷卻來(lái)自環(huán)境溫度流量控制閥的該流動(dòng)，直到該流動(dòng)被冷卻至基本為制冷冷卻劑溫度；并將該冷卻劑傳送至至少一個(gè)制冷部件。本發(fā)明附加地限定為這樣一種用于調(diào)節(jié)溫度的低溫恒溫器設(shè)備，該設(shè)備包括外殼；低溫冷卻器室，至少部分位于所述外殼內(nèi)，所述低溫冷卻器室具有底部區(qū)段和至 少一個(gè)虹吸端口；低溫冷卻器，至少部分位于所述低溫冷卻器室內(nèi)，所述低溫冷卻器具有至少一個(gè)降溫級(jí)；第一管，從所述低溫冷卻冷卻器室延伸至所述外殼外部，所述第一管適合于連接至冷卻劑源； 逆流熱交換器(CFE)，耦接至所述低溫冷卻器室的第一虹吸端口，所述CFE包括第一 CFE管，從所述低溫冷卻器室延伸至所述外殼外側(cè)；環(huán)境CFE閥，在所述第一 CFE管內(nèi)并在所述外殼的外部；以及第二 CFE管，連接至所述環(huán)境CFE閥并延伸入所述外殼內(nèi)部，所述第二 CFE管在所述外殼內(nèi)至少部分地與所述第一 CFE管共同延伸并環(huán)繞所述第一 CFE管；以及至少一個(gè)制冷部件，在所述外殼內(nèi)部，所述第二 CFE管控制制冷冷卻劑至所述至少一個(gè)制冷部件中的至少一個(gè)的流動(dòng)。本發(fā)明以稍微不同的方式限定為這樣一種用于調(diào)節(jié)溫度的低溫恒溫器設(shè)備，并且包括外殼；超導(dǎo)磁體組件，位于所述外殼內(nèi)；低溫冷卻器室，至少部分位于所述外殼內(nèi)，所述低溫冷卻器室具有底部區(qū)段和至少一個(gè)虹吸端口；低溫冷卻器，至少部分位于所述低溫冷卻器室內(nèi)，所述低溫冷卻器具有至少一個(gè)降溫級(jí)；第一管，從所述低溫冷卻冷卻器室延伸至所述外殼外側(cè)，所述第一管適合于連接至冷卻劑源；以及低溫板，熱耦接在所述底部區(qū)段與所述磁體組件之間。本發(fā)明還是這樣一種用于調(diào)節(jié)溫度的低溫恒溫器設(shè)備，并且包括外殼；低溫冷卻器室，至少部分地位于所述外殼內(nèi)，所述低溫冷卻器室具有底部區(qū)段和至少兩個(gè)虹吸端口；低溫冷卻器，至少部分位于所述低溫冷卻器室內(nèi)，所述低溫冷卻器具有至少一個(gè)降溫級(jí)；第一管，從所述低溫冷卻器室延伸至所述外殼外側(cè)，所述第一管適用于連接至冷卻劑源；至少一個(gè)制冷部件，位于所述外殼內(nèi)；以及第一冷卻劑管，耦接在所述至少兩個(gè)虹吸端口中的一個(gè)與所述至少一個(gè)制冷部件中的一個(gè)之間。本發(fā)明還是這樣一種用于調(diào)節(jié)溫度的低溫恒溫器設(shè)備，并且包括外殼；至少一個(gè)制冷部件，位于所述外殼內(nèi)；超導(dǎo)磁體組件，是一個(gè)所述至少一個(gè)制冷部件；低溫冷卻器室，至少部分位于所述外殼內(nèi)，所述低溫冷卻器室具有底部區(qū)段和至·少一個(gè)虹吸端口；低溫冷卻器，至少部分位于所述低溫冷卻器室內(nèi)，所述低溫冷卻器具有至少一個(gè)降溫級(jí)；第一管，從所述低溫冷卻冷卻器室延伸至所述外殼外側(cè)，所述第一管適合于連接至冷卻劑源；中間溫度板，熱耦接在一個(gè)所述至少一個(gè)降溫級(jí)與一個(gè)所述至少一個(gè)制冷部件之間；以及低溫板，熱耦接在所述底部區(qū)段與所述磁體組件之間。


在結(jié)合附圖閱讀以下詳細(xì)說(shuō)明時(shí)，本發(fā)明的目的、優(yōu)點(diǎn)和特征將從以下的詳細(xì)說(shuō)明中變得更加顯而易見(jiàn)，附圖中圖I是根據(jù)本發(fā)明設(shè)備的實(shí)施方式的示意圖；圖2是根據(jù)本發(fā)明設(shè)備的替換實(shí)施方式的示意圖；圖3是低溫容器的示意圖，示出了根據(jù)本發(fā)明設(shè)備的超導(dǎo)磁體組件的細(xì)節(jié)；以及圖4是低溫容器的示意圖，示出了根據(jù)本發(fā)明設(shè)備的低溫泵組件以及對(duì)低溫恒溫器組件的熱連接和氣體連接。
具體實(shí)施例方式本發(fā)明提供了一種用于低溫測(cè)量系統(tǒng)中的溫度調(diào)節(jié)的設(shè)備和方法，其采用超導(dǎo)磁體，并使用靜態(tài)和運(yùn)動(dòng)氣體在低溫冷卻器與低溫恒溫器組件的剩余部分之間進(jìn)行熱交換。低溫恒溫器設(shè)備本發(fā)明設(shè)備的示例性實(shí)施方式在圖I中示出。低溫恒溫器11包括外部真空室或外殼12，所述外部真空室或外殼在頂部通過(guò)頂部元件或板13 (該元件或板也可稱(chēng)為“300K”頂板)封閉。該頂板可由諸如鋁的任何適當(dāng)?shù)牟牧现瞥?，并且該頂板的上表面通常處于室溫。值得注意，外?2的頂部可以是平的、凹的、凸的、或任何其他形狀，并且所述頂部能與殼12—體形成。為方便，元件13在本文中將通常被稱(chēng)為頂板。該外殼內(nèi)側(cè)的容器被抽空，從而提供隔熱。該頂板具有開(kāi)口、或室進(jìn)出端口 14，以提供到樣本室21的通路。如圖中示出，該低溫恒溫器可選地包括內(nèi)殼16。內(nèi)殼16用作“50K”熱輻射防護(hù)物并且在頂部通過(guò)防護(hù)板17封閉。當(dāng)該防護(hù)板包括在低溫恒溫器中時(shí)，所述防護(hù)板可以借助多根支撐桿18中的一根以及冷卻器室22的上冷卻器室23而附接至頂板13。防護(hù)板17可以被稱(chēng)為“50K防護(hù)板”或被稱(chēng)為“中間溫度板”。如同頂板13那樣，防護(hù)板17可以具有任何合適的形狀且可與殼16 —體形成。雖然內(nèi)殼16對(duì)于低溫恒溫器的適當(dāng)功能不是必需的，但發(fā)現(xiàn)使用內(nèi)殼可改進(jìn)低溫恒溫器的性能。超導(dǎo)磁體19 (其可以被稱(chēng)為磁體設(shè)備或組件)示出在內(nèi)殼16的內(nèi)側(cè)并且形成有內(nèi)孔20，所述內(nèi)孔容納樣本室21的下部分。當(dāng)?shù)蜏睾銣仄?1用作實(shí)驗(yàn)室儀器時(shí)采用此類(lèi)樣本室。低溫冷卻器室22由上冷卻器室區(qū)段23、下冷卻器室區(qū)段24、以及與“4. 2K”板27直接熱接觸的室底部區(qū)段26組成。所述4. 2K板和室底部區(qū)段26優(yōu)選由無(wú)氧高傳導(dǎo)性銅(OFHC)或其他高傳導(dǎo)性材料制成，比如鋁、銀、或其他等級(jí)的銅，以實(shí)現(xiàn)高的導(dǎo)熱性。板27也可以被稱(chēng)為“低溫板”，并且可以具有任何合適的形狀或配置。此外，底部部分26的內(nèi)側(cè)面可以配置有翅片或其他特征，以增強(qiáng)與冷卻器室的底部中的液體或氣體或這兩者的熱交換。室區(qū)段23和24以及支撐桿18通常由常規(guī)的GlO玻璃纖維環(huán)氧材料制成，并且在 區(qū)段23和24中具有金屬擴(kuò)散屏障。該擴(kuò)散屏障防止冷卻劑漏入低溫恒溫器的真空空間內(nèi)且降低低溫恒溫器部件之間的隔熱。如本技術(shù)領(lǐng)域中公知的，該GlO桿具有一定量的柔性。該GlO材料可由任何低導(dǎo)熱性材料(諸如不銹鋼、白銅、或類(lèi)似的合金)替換，以及由諸如聚酰亞胺的塑料替換。磁體19的結(jié)構(gòu)性支撐(其可以具有達(dá)到約IOOkg的質(zhì)量)由室22、4. 2K板27、以及支撐桿18提供。作為實(shí)例，支撐桿18的數(shù)量可以為兩根或三根。冷卻器室22通過(guò)任何適當(dāng)?shù)膶?dǎo)熱裝置(諸如膠或某些其他粘合劑)附接至頂板13、第一級(jí)頸環(huán)29、和4. 2K板27。支撐桿18通過(guò)任何合適的裝置適當(dāng)?shù)剡B接至頂板13、50K防護(hù)板、和4. 2Κ板27。50Κ防護(hù)板17關(guān)于頂板13的可能出現(xiàn)的任何橫向熱收縮都由支撐桿18的相關(guān)柔性適應(yīng)。支撐桿與室區(qū)段23和24之間相對(duì)大的距離顯著地降低了 4. 2Κ板內(nèi)部的可能的豎直變形，該豎直變形在其他情況下可能是由支撐桿的熱收縮和冷卻器室22收縮之間的不平衡所導(dǎo)致。該組件的橫向和抗扭剛度主要由室區(qū)段23和24提供，與此同時(shí)豎直支撐和對(duì)準(zhǔn)來(lái)自于室區(qū)段和支撐桿的組合。雖然該低溫恒溫器設(shè)備在圖中示出為具有總體上豎直的定向(除了布置于冷卻器室22中的冷卻器)，但這些部件無(wú)需豎直布置。PTC冷卻器設(shè)備在一個(gè)示意性實(shí)施方式中，該系統(tǒng)采用常規(guī)的脈沖管低溫冷卻器(PTC)作為低溫恒溫器設(shè)備中的冷卻功率源。該P(yáng)TC冷卻器是由頂部或環(huán)境溫度凸緣33、管30和31、以及冷卻級(jí)50和52 (所有這些部件都布置于室22內(nèi)部)組成的單元。該冷卻器通常具有至少兩個(gè)冷卻級(jí)，每個(gè)冷卻級(jí)在不同溫度下提供不同量的冷卻功率。PTC冷卻器的較高溫度級(jí)提供比較低溫度級(jí)明顯較高的冷卻功率。例如，適用于本發(fā)明描述的實(shí)施方式的典型PTC冷卻器(如Cryomech ΡΤ410)可以具有第一級(jí)50,所述第一級(jí)的冷卻容量(cooling capacity)使得其以40W的熱負(fù)載保持50K的溫度，但是用IW熱負(fù)載僅能保持30K的溫度。作為對(duì)比，第二級(jí)52在50K下沒(méi)有提供如此多的冷卻容量，但能使用IW的熱負(fù)載保持4. 2K的溫度?？赏瑫r(shí)在兩個(gè)級(jí)使用完全冷卻容量。也可使用其他類(lèi)型的低溫冷卻器，但可應(yīng)用PTC冷卻器，因?yàn)樵摾鋮s器除了從不同的冷卻級(jí)提供冷卻功率，還能在位于不同級(jí)之間的再生器區(qū)域處提供連續(xù)溫度的冷卻。本發(fā)明的設(shè)備可利用該附加冷卻功率，因?yàn)槔鋮s劑與冷卻器的所有外表面直接接觸。在該配置中，該P(yáng)TC冷卻器特別適用于對(duì)來(lái)自空氣溫度的冷卻劑氣體進(jìn)行制冷，因?yàn)槟茉诟邷囟鹊臍怏w遇到冷卻器級(jí)之前從該氣體中提取更多熱量。在最高可能溫度處提取熱量的該原理在本領(lǐng)域中公知為實(shí)現(xiàn)高冷卻效率的方式。如此處使用的，一般性的術(shù)語(yǔ)“冷卻劑”可以是氣體或液體，并且“制冷冷卻劑”也可以是氣體或液體。PTC冷卻器被選擇為用于這些實(shí)施方式的冷卻器類(lèi)型的另一個(gè)原因在于，該冷卻器的與低溫恒溫器緊密接觸的部分沒(méi)有移動(dòng)部件。因此，相比于GM類(lèi)型的冷卻器，該冷卻器傳遞給低溫恒溫器的振動(dòng)顯著降低。這是非常有利的，因?yàn)檫@些振動(dòng)會(huì)不利地影響物理性能測(cè)量系統(tǒng)中的測(cè)量質(zhì)量。冷卻分布和冷卻劑流·
本發(fā)明的設(shè)備使用氣體交換作為從PTC冷卻器的各種級(jí)抽取冷卻功率并將該冷卻功率傳送至各種低溫恒溫器部件的主要手段。低溫冷卻器的環(huán)境溫度凸緣33安裝至頂板13并且冷卻級(jí)50和52位于低溫冷卻器室22的內(nèi)側(cè)。主冷卻劑入口管34通過(guò)通到環(huán)境溫度冷卻劑氣體源的環(huán)境溫度閥37而附接至外部冷卻劑入口或填充端口 36，所述冷卻劑氣體例如為氦，所述氦可以為氦4同位素，所述氣體源能選擇性地連接至氣瓶(未示出)以及循環(huán)氣泵或泵送系統(tǒng)56。這是用于低溫冷卻器室22的冷卻劑源。也可能省掉閥37并且填充端口 36可以是冷卻劑的外部貯存器。進(jìn)入所述入口端口的冷卻劑氣體通過(guò)與冷卻器級(jí)的熱交換進(jìn)行制冷。隨著冷卻劑沿第一冷卻器室管30向下行進(jìn)，冷卻劑通過(guò)對(duì)流熱交換將熱量傳遞至第一冷卻級(jí)50且隨后沿第二冷卻器室管31將熱量傳遞至低溫冷卻器的第二冷卻段52。所產(chǎn)生的制冷冷卻劑對(duì)冷卻器室的壁中的任何熱傳導(dǎo)區(qū)域進(jìn)行冷卻，這些熱傳導(dǎo)區(qū)域然后通過(guò)與室外側(cè)上的傳導(dǎo)區(qū)域的固體傳導(dǎo)接觸來(lái)冷卻低溫恒溫器中的其他部件。例如，第一級(jí)50附近的制冷冷卻劑冷卻頸環(huán)29以及與頸環(huán)熱耦接的整個(gè)50K防護(hù)板組件17，而靠近第二級(jí)52的制冷冷卻劑則冷卻底部區(qū)段26、4. 2K板27、以及磁體組件19。底部區(qū)段、4. 2K板、以及磁體組件全都是熱耦接的。其他低溫恒溫器部件(例如為樣本室21)可通過(guò)與從冷卻器室內(nèi)的不同位置虹吸來(lái)的循環(huán)制冷冷卻劑氣體或液體或這兩者進(jìn)行熱交換而被冷卻。真空隔離空間和隔熱室區(qū)段23和24顯著地降低了低溫恒溫器部件之間的其他雜散熱連通(stray thermalcommunication)。由于制冷制冷劑用于將冷卻功率從冷卻器傳送至冷卻器室的壁并傳送至低溫恒溫器中的其他制冷部件，因此沒(méi)有將PTC冷卻器的第一級(jí)或第二級(jí)耦接至冷卻器室的剩余部分或低溫恒溫器的物理連接。該布置允許相對(duì)于低溫冷卻器的整體性而言非常高水平的模塊性，這是因?yàn)樵诘蜏乩鋮s器的冷卻級(jí)50和52與環(huán)境溫度凸緣33下方的冷卻器室22之間無(wú)需機(jī)械連接或流動(dòng)控制設(shè)備。該結(jié)構(gòu)提供了明顯優(yōu)于之前可獲得的系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)，包括降低構(gòu)造復(fù)雜度、由于較少的機(jī)械部件而具有較高的可靠性、方便保養(yǎng)和維修、減少了低溫冷卻器與其他低溫恒溫器部件之間的振動(dòng)耦合、以及能更靈活地控制冷卻功率至測(cè)量系統(tǒng)的剩余部分的傳送。由以上機(jī)構(gòu)冷卻的另外可選的低溫恒溫器部件是用于超導(dǎo)低溫磁體19的電流引線組件，如圖3示出。該電磁體必須連接至室溫電源，以提供產(chǎn)生磁場(chǎng)所需的電流。該電流可超過(guò)lOOamp，因此需要在低溫恒溫器外側(cè)的室溫區(qū)域與低溫恒溫器內(nèi)側(cè)的磁體之間需要大的導(dǎo)電體。然而，大的正常金屬(非超導(dǎo))導(dǎo)體也傳導(dǎo)大量的熱。這將在低溫恒溫器中的最低溫度部件上產(chǎn)生不可承受的熱負(fù)載。在該實(shí)施方式中，在第一級(jí)溫度下在耦接至頂板13的端子70與熱錨定部(thermal anchor)72之間采用正常金屬導(dǎo)體71。超導(dǎo)引線73在磁體的溫度下在第一級(jí)錨定部與熱錨74之間運(yùn)載電流。在第一級(jí)溫度下的熱錨定部確保了超導(dǎo)引線的整個(gè)長(zhǎng)度足夠冷，以在正常操作期間保持在超導(dǎo)引線的轉(zhuǎn)變溫度之下。對(duì)于由超導(dǎo)體釔鋇銅氧化物(YCBO)制成的超導(dǎo)體，該轉(zhuǎn)變溫度是90K。使用超導(dǎo)磁體引線在在本技術(shù)領(lǐng)域中為公知的，其中在低溫下需要高的電流。在該實(shí)施方式中，超導(dǎo)引線的底部74和頂部72處的熱錨定點(diǎn)分別通過(guò)固體熱傳導(dǎo)提供至4K板27和第一級(jí)頸環(huán)29。與先有技術(shù)不同，該熱接觸在沒(méi)有直接物理連接至冷卻器級(jí)的情況下實(shí)現(xiàn)。外部、環(huán)境溫度引線75設(shè)置用于連接至必要的電源(未示出)。為簡(jiǎn)潔，此處未示出支撐桿18。壓力釋放在低溫恒溫器真空破裂的情況下，在某些先有技術(shù)系統(tǒng)中，冷卻器室中的液態(tài)冷卻劑可能會(huì)突然地被加熱并爆炸式地?cái)U(kuò)張。如果沒(méi)有大的孔口排氣端口，所述室中的過(guò)壓會(huì)使冷卻器室壁爆裂。在本發(fā)明設(shè)備中，冷卻器布置成使得所述室中的大量過(guò)壓將使冷卻器的位置向上移動(dòng)，從而釋放壓力。這可能是通過(guò)沒(méi)有對(duì)冷卻器管和所述級(jí)的約束性固體聯(lián)接來(lái)實(shí)現(xiàn)的。更具體地，在冷卻器(管30、31和級(jí)50、52)與冷卻器室22之間沒(méi)有物理聯(lián)接，從而冷卻器自身能有效地用作壓力釋放安全裝置。冷卻劑分層和虹吸冷卻劑與PTC冷卻器之間沿著低溫冷卻器室22長(zhǎng)度的連續(xù)熱交換冷卻并最終冷凝氣態(tài)冷卻劑，優(yōu)選冷卻并冷凝至液相，冷凝的冷卻劑匯聚在低溫冷卻器室的底部區(qū)段26中。低溫冷卻器室22內(nèi)部的冷卻劑的該逐漸的熱交換、以及自然熱分層可使得制冷冷卻劑以不同的溫度和相態(tài)從柱中被抽取。靠近第一級(jí)的氣態(tài)冷卻劑可在大約50K處被虹吸。靠近第二級(jí)的氣態(tài)冷卻劑可在4K處在液位上方被虹吸，并且液態(tài)冷卻劑可通過(guò)導(dǎo)管61從所述室底部處的槽被虹吸。值得注意，冷卻劑無(wú)需變?yōu)橐簯B(tài)以使系統(tǒng)有效的發(fā)揮作用，因?yàn)樵诖蠹s為4K處的氣體可執(zhí)行期望的冷卻功能。 在優(yōu)選實(shí)施方式中，50K的冷卻劑被從冷卻器室22抽取而通過(guò)第一級(jí)虹吸管57，并通過(guò)頸交換器39，該頸交換器圍繞樣本室21的上頸部區(qū)域41布置，并且被用作攔截從室進(jìn)出端口 14向下行進(jìn)的熱量。使用環(huán)境溫度頸閥40來(lái)控制該頸交換器39的冷卻功率。無(wú)需低溫閥。冷卻器室22內(nèi)部的氣態(tài)冷卻劑的自然熱分層也允許用于本發(fā)明設(shè)備的非常有效的備用模式。由于低溫冷卻器大量的功耗(5000W至10000W)，因此當(dāng)不使用系統(tǒng)時(shí)可將低溫冷卻器關(guān)閉。然而如果允許將該設(shè)備加溫至接近室溫，將需要一天以將設(shè)備再次冷卻至操作溫度。當(dāng)冷卻器關(guān)閉，該最冷級(jí)被來(lái)自冷卻器的熱凸緣的傳導(dǎo)熱量非?？斓丶訙亍Ｔ趥鹘y(tǒng)設(shè)計(jì)中，其通常使用金屬熱聯(lián)接連接至冷卻器級(jí)，關(guān)閉的冷卻器通過(guò)此類(lèi)熱聯(lián)接快速地加熱低溫恒溫器的剩余部分。然而在本設(shè)備中，當(dāng)冷卻器比底部26熱時(shí)，冷卻器室22中的冷卻劑的熱分層將極大地降低傳送至所述室的底部區(qū)段26的熱量。這是熱虹吸特性并且允許冷卻器關(guān)閉多達(dá)一個(gè)小時(shí)，并同時(shí)將室22底部區(qū)段26中的液態(tài)或氣態(tài)冷卻劑保持在大約4. 2K。使冷卻器以打開(kāi)30分鐘并關(guān)閉一小時(shí)的方式循環(huán)的程序可使該設(shè)備的能耗減少一半以上，并且同時(shí)允許在退出該備用模式的一個(gè)小時(shí)內(nèi)進(jìn)行完全的系統(tǒng)操作。逆流交換器經(jīng)由冷卻氣體虹吸管53從冷卻器室的底部區(qū)段26抽取的4. 2Κ冷卻劑用于冷卻樣本室21。該冷卻劑的流速受逆流熱交換器(CFE)43和環(huán)境溫度CFE流量閥46控制。4. 2Κ的冷卻劑流過(guò)冷氣體虹吸管53進(jìn)入CFE的加溫管43，流過(guò)CFE流量閥46，進(jìn)入CFE的冷卻管42，進(jìn)而進(jìn)入室氣體冷卻劑管44，然后流入環(huán)繞樣本室21的底部的冷卻環(huán)58。蒸發(fā)室35在附圖中示出在管44與冷卻環(huán)58之間，但這是可替換的元件，即，對(duì)于所公開(kāi)實(shí)施方式的操作是不必要的元件。通過(guò)以此種方式使用CFE，可通過(guò)使用可靠的且可購(gòu)買(mǎi)到的環(huán)境溫度流量控制閥46來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)制冷冷卻劑流動(dòng)的完全控制，并且制冷冷卻劑的寄生加熱很少或沒(méi)有。通過(guò)CFE閥的通常的流速將在大約O至10標(biāo)準(zhǔn)升/分鐘之間變化。再一次地，不需要使用低溫閥。在逆流熱交換器43中，從虹吸管53行進(jìn)至第一交換器管中的CFE流量閥46的制·冷冷卻劑沿著所述第一交換器管的長(zhǎng)度被逐漸加溫，這種加溫通過(guò)與從閥46穿過(guò)管42返回至冷卻劑管44的逆流冷卻劑流的連續(xù)熱交換來(lái)實(shí)現(xiàn)。由于此兩根交換器管沿著它們的長(zhǎng)度緊密地?zé)峤佑|，在沿著長(zhǎng)度的每個(gè)點(diǎn)處，來(lái)自第二 (冷卻)管中的熱量被傳送至第一(力口溫)管中的冷卻劑。有效的交換器設(shè)計(jì)確保了暖流和冷卻流中的冷卻劑的溫度在沿著交換器長(zhǎng)度的任何點(diǎn)處幾乎相同。因此，只有少量的熱量通過(guò)該閥配置被引入制冷冷卻劑，并且可控制該制冷冷卻劑在冷卻器的第二級(jí)的溫度(4. 2Κ)處或附近達(dá)到完全流速。隨著冷卻劑沿低溫冷卻器室22向下從第一級(jí)50移動(dòng)至第二級(jí)52，該冷卻劑被冷卻至4. 2Κ，在該點(diǎn)處，冷卻劑容易在PTC冷卻器的第二級(jí)冷凝器上冷凝成液態(tài)形式。當(dāng)該系統(tǒng)使用液態(tài)冷卻劑進(jìn)行操作時(shí)，冷凝的液態(tài)冷卻劑從第二級(jí)冷卻級(jí)或冷凝器52滴下并匯聚在低溫冷卻器室的底部區(qū)段26中。隨著來(lái)自磁體的熱量傳導(dǎo)通過(guò)4. 2Κ板27時(shí)，該熱流加熱匯聚在底部區(qū)段26中的液態(tài)冷卻劑，致使液態(tài)冷卻劑中的一些蒸發(fā)。蒸發(fā)的氣態(tài)冷卻劑中的一些隨后在第二級(jí)冷凝器52上再冷凝，然后滴回至底部。低溫冷卻器室的底部區(qū)段和第二級(jí)冷凝器從而形成典型的兩相熱管。此類(lèi)型的兩相熱管在傳熱方面非常有效。本發(fā)明的該實(shí)施方式中的熱管機(jī)構(gòu)的所說(shuō)明的使用提供了這樣的效果，在熱管的大約4. 2Κ的操作溫度下有效地將熱量從超導(dǎo)磁體傳遞走，而無(wú)需與冷卻器的第二級(jí)52的固體熱接觸。在磁體高于其操作溫度的情況下，例如，當(dāng)磁體和低溫恒溫器自環(huán)境溫度冷卻時(shí)，這在幾何上用作單相加熱管。該熱接觸方法的其他優(yōu)點(diǎn)在于，加熱管的兩個(gè)元件之間的有效熱傳導(dǎo)獨(dú)立于PTC冷卻器第二級(jí)52與冷卻器室底部區(qū)段26之間的距離，這是兩相重力熱虹吸管的性質(zhì)。該高度獨(dú)立性使得本發(fā)明的所述實(shí)施方式的系統(tǒng)適用于低溫恒溫器設(shè)備的不同低溫冷卻器長(zhǎng)度和尺寸。固體熱耦接在本發(fā)明公開(kāi)實(shí)施方式的溫度調(diào)節(jié)系統(tǒng)中使用的高磁場(chǎng)超導(dǎo)磁體生成的磁場(chǎng)達(dá)約16特斯拉，重量達(dá)100kg(2201bs)，并且在掃描模式下操作時(shí)消耗達(dá)大約一瓦特的熱量。此高熱負(fù)載接近于PTC冷卻器在4. 2K下的冷卻容量。如提到的，所述兩相熱虹吸管用于實(shí)現(xiàn)低溫冷卻器室的底部區(qū)段26與冷卻器的第二級(jí)52之間的熱傳導(dǎo)。
該示例性實(shí)施方式的設(shè)計(jì)具體地用于實(shí)現(xiàn)經(jīng)由穿過(guò)4. 2K板27的固體傳導(dǎo)路徑從超導(dǎo)磁體19至低溫冷卻器室的底部區(qū)段26的熱傳導(dǎo)，從而提供非常高的熱傳導(dǎo)聯(lián)接。需要此高的熱傳導(dǎo)來(lái)在掃描模式(在該時(shí)間期間磁體散熱)的期間保持磁體冷卻以用于適當(dāng)?shù)牟僮鳌岷缥芎凸腆w聯(lián)接的該組合完全地避免了冷卻器級(jí)與低溫恒溫器組件之間的柔性銅熱聯(lián)接，所述柔性銅熱聯(lián)接通常在傳統(tǒng)的系統(tǒng)中使用以提供導(dǎo)熱。該結(jié)構(gòu)也消除了由低溫恒溫器相對(duì)于低溫冷卻器級(jí)的不同熱收縮而導(dǎo)致的機(jī)械應(yīng)力。由于該熱虹吸管適應(yīng)本公開(kāi)實(shí)施方式中的不同熱收縮，因此傳導(dǎo)聯(lián)接不需要具有柔性。該固體聯(lián)接包含提供固體傳導(dǎo)路徑的較大的橫截面面積與長(zhǎng)度的比(A:L)。與使用帶有柔性聯(lián)接的等效熱傳導(dǎo)(如過(guò)去通常使用的)相比，采用使用實(shí)心板和桿的具有高的A :L比率的熱聯(lián)接更有效。此外，本發(fā)明的公開(kāi)實(shí)施方式的測(cè)量系統(tǒng)配置成使得樣本室21的溫度較大程度地獨(dú)立于磁體設(shè)備19處可獲得的冷卻功率。這是因?yàn)橛糜诖朋w的冷卻功率來(lái)自于冷卻器室22的底部(26)中的液體，所述冷卻器室處于其飽和溫度，而用于樣本室的冷卻功率主要來(lái)自于使氣體冷卻劑從冷卻器室底部中的液位上方流動(dòng)。在臨界流動(dòng)速率之下，氣體流動(dòng)速率的變化對(duì)液體冷卻劑的匯聚的影響非常小。這可使得相互獨(dú)立地執(zhí)行溫度控制和磁場(chǎng)操作。即，當(dāng)與樣本室和閉環(huán)溫度控制裝置上的加熱器結(jié)合時(shí)，試樣的溫度變化將不會(huì)顯著地影響超導(dǎo)磁體的溫度。相反地，改變磁體中的磁場(chǎng)也不會(huì)顯著地影響樣本室中的試樣的溫度。從而，當(dāng)通過(guò)改變磁體線圈中的電流來(lái)掃描超導(dǎo)磁體時(shí)，來(lái)自磁體的明顯更高的熱負(fù)載將不會(huì)顯著地影響樣本室的溫度控制。一旦系統(tǒng)在操作狀態(tài)中，則樣本可在短的時(shí)間段(少于約60分鐘)內(nèi)在基礎(chǔ)溫度(小于2K)與環(huán)境溫度(大約400K)之間或以上的溫度加溫或冷卻，而不會(huì)顯著地影響磁體或低溫冷卻器的溫度?？焖兕A(yù)冷卻在一個(gè)實(shí)施方式中，在初始系統(tǒng)冷卻期間以及在操作期間，用于磁體的主要冷卻機(jī)構(gòu)穿過(guò)固體傳導(dǎo)性的4. 2K板27，所述4. 2K板耦接在磁體與室底部區(qū)段26中的冷卻劑之間。圖2中示出的替換實(shí)施方式采用這樣的方式，將液氮或氦從外部存儲(chǔ)杜瓦瓶(未示出)傳送入預(yù)冷卻管54中，所述預(yù)冷卻管利用熱交換器59熱耦接至4. 2K板27，以用于加速磁體組件初始冷卻至例如大約77K的過(guò)程。在該情況下，傳送管(未示出)手動(dòng)地連接至預(yù)冷卻端口 55，并且通過(guò)存儲(chǔ)杜瓦瓶中的壓力來(lái)保持氮或氦的流動(dòng)。熱交換器中采用的氦可以是氦3同位素。當(dāng)該系統(tǒng)冷卻至大約77K時(shí)，傳送管斷開(kāi)連接并且密封預(yù)冷卻端口 55以防止結(jié)冰。冷卻過(guò)程的剩余部分僅適用之前說(shuō)明的冷卻器進(jìn)行。這種余冷卻布置減少了低溫恒溫器操作的啟動(dòng)時(shí)間。由于支撐桿18與管54—樣地在附近，因此為了簡(jiǎn)潔在圖中沒(méi)有示出該支撐桿。 系統(tǒng)的啟動(dòng)和浮力對(duì)流參考圖1，由于超導(dǎo)磁體19的大的熱容量，需要充分使用低溫冷卻器的每個(gè)級(jí)以最小化冷卻時(shí)間。當(dāng)磁體組件19和室底部26的溫度高于大約為50K的第一級(jí)50的溫度時(shí)，低溫冷卻器室22的敞口、豎直柱允許底部區(qū)段26與低溫冷卻器的兩個(gè)級(jí)(50、52)、以及冷卻器的第二級(jí)再生器區(qū)域49之間的有效浮力對(duì)流。當(dāng)室底部溫度低于第一級(jí)溫度時(shí)，浮力對(duì)流的高度將降低至低于第一級(jí)的水平并且氣體在第一級(jí)的附近熱分層。因此，該冷卻器的第一級(jí)與下方的冷卻器氣體熱隔離，而與此同時(shí)經(jīng)由浮力對(duì)流在室底部26與冷卻器的第二級(jí)52和第二級(jí)再生器區(qū)域49之間的熱交換繼續(xù)進(jìn)行。
當(dāng)這發(fā)生時(shí)，第一級(jí)與室底部26之間的熱聯(lián)接有效地?cái)嚅_(kāi)。在系統(tǒng)冷卻期間從第一級(jí)冷卻至第二級(jí)冷卻的自動(dòng)交換是冷卻器室的敞口、豎直柱設(shè)計(jì)的特征。該設(shè)計(jì)高度有效，因?yàn)樵撛O(shè)計(jì)使用可在冷卻中的任何給定點(diǎn)處獲得的最高溫度級(jí)來(lái)提取熱量。在本發(fā)明優(yōu)選實(shí)施方式的測(cè)量系統(tǒng)中，達(dá)到操作溫度的系統(tǒng)冷卻時(shí)間是大約24小時(shí)。一旦磁體冷卻至大約4. 2K的正常操作溫度，室底部26和磁體19的連續(xù)冷卻通過(guò)如以上說(shuō)明的兩相虹吸作用而發(fā)生。低溫泵組件關(guān)于某些應(yīng)用，如在樣本室21為實(shí)驗(yàn)儀器中的環(huán)境室的情況下，可能需要將所述室排空至高真空狀態(tài)(〈lmTorr)，以執(zhí)行某種測(cè)量或用于制備試驗(yàn)試樣。低溫泵在本技術(shù)領(lǐng)域中公知用于提供出色的真空條件。低溫泵通常較貴，因?yàn)樾枰蜏匾约袄浼?jí)與環(huán)境的熱隔離。然而，由于能同時(shí)冷卻多個(gè)制冷部件，本發(fā)明的實(shí)施方式提供高性能、多級(jí)低溫泵所需的冷卻級(jí)和隔熱，并且附加花費(fèi)非常低。該集成式設(shè)計(jì)還具有其他優(yōu)點(diǎn)，由于將泵送體積 連接至低溫泵的管道非常短，從而與遠(yuǎn)程安裝的泵相比增加了泵送率。此類(lèi)低溫泵組件的實(shí)例在圖4中示出。環(huán)境溫度泵送管81將樣本室21的上頸區(qū)域41連接至低溫泵導(dǎo)管82。該低溫泵導(dǎo)管穿過(guò)頂板13進(jìn)入低溫恒溫器的真空空間。該低溫泵的第一級(jí)冷阱83通過(guò)到達(dá)50K防護(hù)板17的柔性熱聯(lián)接84而保持在第一級(jí)的溫度處。管88從冷阱83延伸入內(nèi)殼16并到達(dá)第二級(jí)冷阱85。吸附泵86和冷阱85通過(guò)第二熱聯(lián)接87保持在4. 2K板27的溫度處。環(huán)境溫度隔離閥80用于在樣本室21中不需要高真空時(shí)或者在需要通到所述室的環(huán)境空氣通道時(shí)使低溫泵與樣本室密封。為了簡(jiǎn)潔這里未示出支撐桿18。系統(tǒng)操作為了將樣本室冷卻至低于低溫冷卻器的第二級(jí)溫度(該溫度通常是4. 2K)，本發(fā)明的所說(shuō)明的系統(tǒng)可替換地使用布置在蒸發(fā)室35中的蒸發(fā)冷卻機(jī)構(gòu)。聚集在底部區(qū)段26中的液體冷卻劑用作毛細(xì)管流阻抗47的來(lái)源，所述毛細(xì)管流阻抗在大約O至大約I標(biāo)準(zhǔn)升/分鐘的范圍內(nèi)流動(dòng)。該液體冷卻劑流以較低的溫度進(jìn)入并聚集在蒸發(fā)室35中。該液體然后由于通過(guò)泵送系統(tǒng)56在環(huán)繞樣本室21的冷卻環(huán)58上的進(jìn)行泵送而蒸發(fā)和冷卻。管44中沒(méi)有冷卻劑流的情況下，冷的蒸發(fā)冷卻劑將樣本室冷卻至低于大約2K。本發(fā)明所描述的實(shí)施方式的測(cè)量系統(tǒng)采用樣本室的氣流冷卻，這利用流過(guò)樣本室21的單流氣態(tài)冷卻劑來(lái)進(jìn)行。通過(guò)將不同量的通過(guò)室氣體冷卻劑管44供應(yīng)的氣態(tài)冷卻劑和通過(guò)毛細(xì)管阻抗47供應(yīng)至蒸發(fā)室35 (當(dāng)使用該替換結(jié)構(gòu)時(shí))的液態(tài)冷卻劑混合，該冷卻劑流的流速和溫度依據(jù)冷卻需要來(lái)變化。通過(guò)冷卻劑管44的冷卻劑以大約4. 2K的溫度并且以從大約O變化至大約10標(biāo)準(zhǔn)升/分鐘的速率來(lái)供應(yīng)。然后，蒸發(fā)的冷卻劑通常溫度低于2K，并且速率通常由毛細(xì)管阻抗固定的范圍在大約O. 2至大約I標(biāo)準(zhǔn)升/分鐘之間?；旌蟻?lái)自不同源的具有不同溫度和冷卻容量的冷卻劑流允許在樣本室21內(nèi)部實(shí)現(xiàn)適當(dāng)?shù)睦鋮s率和所需的基礎(chǔ)溫度。當(dāng)高于4. 2K時(shí)樣本室的快速冷卻通過(guò)使氣體流過(guò)環(huán)境溫度CFE閥46 (該閥致引起冷卻劑管44中的冷卻劑流動(dòng))而實(shí)現(xiàn)。樣本室冷卻至低于4. 2K通過(guò)切斷閥46中的流動(dòng)，使得相對(duì)較小的冷卻氣體流經(jīng)過(guò)樣本室21來(lái)實(shí)現(xiàn)。樣本室的加溫和在固定溫度處的穩(wěn)定可通過(guò)利用附接至室壁的加熱器元件(未示出)將熱量直接應(yīng)用至樣本室來(lái)實(shí)現(xiàn)。
在本發(fā)明此實(shí)施方式中使用的閉環(huán)布置的有利之處在于，能夠防止被污染的氣體利用用于冷卻劑入口的單個(gè)冷阱而阻塞冷卻劑循環(huán)回路。冷阱是一種能凍結(jié)除冷卻劑氣體以外的所有蒸汽的裝置，并且在氣體源和循環(huán)泵56的每個(gè)入口處都是必要的，以防止低溫恒溫器中的低溫管和毛細(xì)管結(jié)冰和阻塞。冷阱相對(duì)較大并且可能顯著增加設(shè)計(jì)的復(fù)雜性，因此有利的是具有盡可能少的冷卻劑入口。在本發(fā)明的該實(shí)施方式中，進(jìn)入低溫恒溫器11的冷卻劑被限制于用于將環(huán)境冷卻劑氣體輸送進(jìn)入低溫恒溫器組件內(nèi)的多個(gè)循環(huán)回路(39、44、和61)中的單個(gè)入端口 36、37、34。此外，環(huán)境溫度凸緣33與冷卻器的第一級(jí)50之間的冷卻室的體積48提供了高容量冷阱的功能。這消除了對(duì)獨(dú)立的專(zhuān)用冷阱組件的需要并且因而極大地簡(jiǎn)化了該設(shè)計(jì)。所有的冷卻劑流量控制閥(37、40、46)均示出在外殼12的外部并且在低溫恒溫器的頂部。值得注意，只有當(dāng)此類(lèi)閥處于或接近環(huán)境溫度時(shí)才有用；它們不必在延伸穿過(guò)頂部13的管道中。內(nèi)部耦接這些閥的管的進(jìn)出口可穿過(guò)外殼的側(cè)部以及通過(guò)頂部。雖然以上對(duì)本發(fā)明的示例性和替換性實(shí)施方式進(jìn)行了詳細(xì)說(shuō)明，但應(yīng)當(dāng)理解可以存在大量的變型。也應(yīng)當(dāng)理解，所說(shuō)明的實(shí)施方式僅是實(shí)例，而旨不在以任何方式限制所描·述的發(fā)明的范圍、配置、或?qū)嵱眯浴?yīng)當(dāng)理解，在不違背所附權(quán)利要求和其法律等同物所闡述的范圍的情況下，可對(duì)元件的功能和布置進(jìn)行各種改變。
權(quán)利要求
1.一種用于調(diào)節(jié)溫度的低溫恒溫器設(shè)備，所述設(shè)備包括 具有至少一個(gè)虹吸端口(53、57、61)的低溫冷卻器室(22)以及具有至少一個(gè)降溫級(jí)(30,31)的低溫冷卻器(30、31、33、50、52)，所述低溫冷卻器至少部分地位于所述低溫冷卻器室內(nèi)。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的低溫恒溫器設(shè)備，所述設(shè)備包括外殼(12)和至少一個(gè)制冷部件(16、17、19、21、22、26、27、29、35、39、43、57、58、72、73、74)。
3.根據(jù)權(quán)利要求I或2所述的低溫恒溫器設(shè)備，所述設(shè)備包括 在所述低溫恒溫器(11)內(nèi)的至少一個(gè)制冷部件(16、17、19、21、22、26、27、29、35、39、43、57、58、72、73、74)，所述至少一個(gè)制冷部件需要利用可變熱負(fù)載和操作溫度來(lái)選擇性地進(jìn)行冷卻； 所述低溫冷卻器室具有壁以及至少一個(gè)環(huán)境溫度冷卻劑氣體入口端口(36)，所述壁具有外表面和限定所述低溫冷卻器室的內(nèi)部(48)的內(nèi)表面； 用于將所述低溫恒溫器設(shè)備連接至環(huán)境溫度冷卻劑氣體源(36)的裝置(34、37)； 主進(jìn)氣管(34)，用于將所述冷卻劑氣體源連接至所述進(jìn)氣口 ； 至少一個(gè)附加虹吸端口(61 )，其中至少兩個(gè)虹吸端口(53、57)布置成穿過(guò)所述低溫冷卻器室的所述壁，一個(gè)所述虹吸端口(61)布置成從所述低溫冷卻室(22、26)移除氣態(tài)或液態(tài)形式的制冷冷卻劑，所述制冷冷卻劑已經(jīng)通過(guò)與所述低溫冷卻器的所述至少一個(gè)降溫級(jí)進(jìn)行熱交換而自環(huán)境溫度被冷卻； 至少一根冷卻劑管(39、44、61 )，將所述至少兩個(gè)虹吸端口中的一個(gè)連接至所述至少一個(gè)制冷部件；以及 至少一根低溫恒溫器出口管(20、42)，從所述至少一個(gè)制冷部件延伸至所述低溫恒溫器的外側(cè)，并且配置為使所述冷卻劑在對(duì)所述至少一個(gè)制冷部件提供冷卻之后流出所述低溫恒溫器。
4.根據(jù)權(quán)利要求2或從屬于權(quán)利要求2時(shí)的權(quán)利要求3所述的低溫恒溫器設(shè)備，其中 所述低溫冷卻器室至少部分地位于所述外殼內(nèi)部，所述低溫冷卻器室具有底部區(qū)段(26)； 第一管(34)，從所述低溫冷卻器室延伸至所述外殼的外側(cè)，所述第一管適于連接至冷卻劑源(36)。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的低溫恒溫器設(shè)備，所述設(shè)備其中 逆流熱交換器(CFE)(43)，耦接至所述低溫冷卻器室的第一虹吸端口(53)，所述CFE包括 第一 CFE管(42)，從所述低溫冷卻器室延伸至所述外殼的外側(cè)； 環(huán)境CFE閥(46)，在所述第一 CFE管中并位于所述外殼的外部；以及第二 CFE管(44)，連接至所述環(huán)境CFE閥并且在所述外殼內(nèi)側(cè)延伸，所述第二 CFE管在所述外殼內(nèi)至少部分地與所述第一 CFE管共同延伸并且環(huán)繞所述第一 CFE管；以及 在所述外殼內(nèi)的至少一個(gè)制冷部件(21、27、35、58)，所述第二 CFE管控制制冷冷卻劑到所述至少一個(gè)制冷部件中的至少一個(gè)的流動(dòng)。
6.根據(jù)權(quán)利要求4或5所述的低溫恒溫器設(shè)備，所述設(shè)備包括 所述低溫恒溫器室至少部分地位于所述外殼內(nèi)，所述低溫冷卻器室具有至少一個(gè)虹吸端口(53、57、61)； 在所述外殼內(nèi)的至少一個(gè)制冷部件；以及 第一冷卻劑管，耦接在所述至少兩個(gè)虹吸端口中的一個(gè)虹吸端口與所述至少一個(gè)制冷部件中的一個(gè)制冷部件之間。
7.根據(jù)權(quán)利要求4或從屬于此權(quán)利要求的任何其他權(quán)利要求所述的低溫恒溫器設(shè)備，所述設(shè)備包括 在所述外殼內(nèi)的至少一個(gè)制冷部件；以及 中間溫度板(17)，熱耦接在所述至少一個(gè)降溫級(jí)中的一個(gè)降溫級(jí)與所述至少一個(gè)制冷部件中的一個(gè)制冷部件之間。
8.根據(jù)權(quán)利要求I至7中任一項(xiàng)所述的低溫恒溫器設(shè)備，其中，所述低溫冷卻器室具有至少一個(gè)導(dǎo)熱區(qū)域(23、24、26)，所述區(qū)域布置為在位于所述低溫冷卻器室外側(cè)的所述至少一個(gè)制冷部件(17、27)與位于所述低溫冷卻器室內(nèi)側(cè)的交換器表面(30、31)之間提供導(dǎo)熱路徑，所述交換器表面在所述低溫冷卻器室中與所述制冷冷卻劑熱接觸。
9.根據(jù)權(quán)利要求I至8中任一項(xiàng)所述的低溫恒溫器設(shè)備，其中，所述至少一個(gè)制冷部件是低溫泵組件(80、81、82、83、84、85、86、87、88)。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的低溫恒溫器設(shè)備，還包括 環(huán)境溫度隔離閥(80)； 第一管(82)，從所述隔離閥延伸穿過(guò)所述外殼頂部而進(jìn)入所述外殼的內(nèi)部； 第一級(jí)冷阱(83)，位于所述外殼內(nèi)，所述管連接至所述第一級(jí)冷阱； 所述外殼內(nèi)的第二級(jí)冷阱(85);以及 第二管(88)，從所述第一級(jí)冷阱延伸至所述第二級(jí)冷阱；以及 吸附泵(86 )，耦接在所述第二級(jí)冷阱內(nèi)。
11.根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的低溫恒溫器設(shè)備，其中，所述至少一個(gè)制冷部件是熱輻射防護(hù)罩(16)。
12.根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的低溫恒溫器設(shè)備，還具有至少一個(gè)制冷部件，其中所述至少一個(gè)制冷部件是超導(dǎo)磁體組件(19)，優(yōu)選地布置在外殼內(nèi)。
13.根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的低溫恒溫器設(shè)備，其中，低溫板(27)熱耦接在所述底部區(qū)段與所述磁體組件之間。
14.根據(jù)權(quán)利要求13所述的低溫恒溫器設(shè)備，還還包括熱耦接在所述低溫冷卻器室的所述底部區(qū)段與所述磁體組件之間的導(dǎo)熱元件(27 )。
15.根據(jù)權(quán)利要求2所述的或從屬于該權(quán)利要求的任何其他權(quán)利要求所述的低溫恒溫器設(shè)備，還包括具有頂部(13)的所述外殼，所述外殼的頂部的外表面處于環(huán)境溫度下。
16.根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的低溫恒溫器設(shè)備，其中，所述低溫冷卻器和所述低溫冷卻器室基本豎直地定向并且布置成使得上部分比下部分更熱，并且其中的冷卻劑氣體分層為在底部的較冷、密度較大的冷卻劑氣體以及在頂部的較熱、密度較小的冷卻劑氣體。
17.根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的低溫恒溫器設(shè)備，還包括氣體循環(huán)泵(56)，所述氣體循環(huán)泵位于所述外殼外部且具有入口端口和出口端口，所述出口端口耦接至所述主進(jìn)氣管道并且所述入口端口耦接至所述至少一根低溫恒溫器出口管。
18.根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的低溫恒溫器設(shè)備，其中，進(jìn)入所述低溫冷卻器室的冷卻劑氣體被所述低溫冷卻器冷卻，以作為液體冷卻劑聚集在所述低溫冷卻器室的底部。
19.根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的低溫恒溫器設(shè)備，還具有至少兩個(gè)虹吸端口，其中所述至少兩個(gè)虹吸端口中的一個(gè)布置為將液體冷卻劑抽取至所述冷卻劑管中。
20.根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的低溫恒溫器設(shè)備，還包括導(dǎo)熱元件(27)，所述導(dǎo)熱元件熱耦接在所述低溫冷卻器室的底部(26)與在所述低溫冷卻器室外部且在所述低溫恒溫器內(nèi)部的所述至少一個(gè)制冷部件(19、21、35、58、85、86、87、88)之間。
21.根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的低溫恒溫器設(shè)備，還包括液體冷卻劑管(61)，所述液體冷卻劑管耦接在所述低溫冷卻器室的底部與所述低溫冷卻器室外部的所述至少一個(gè)制冷部件(19、21、35、58)之間。
22.根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的低溫恒溫器設(shè)備，其中，所述低溫冷卻器室的底部(26)在內(nèi)側(cè)上配置有一熱交換器表面，該熱交換器表面與位于所述低溫冷卻器室的底部中的液體冷卻劑(4. 2K)直接接觸，所述低溫冷卻器室的底部是配置為在所述熱交換器表面與所述至少一個(gè)制冷部件之間提供導(dǎo)熱路徑的導(dǎo)熱區(qū)域。
23.根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的低溫恒溫器設(shè)備，其中，所述低溫冷卻器室的底部(26)在內(nèi)側(cè)上配置有一熱交換器表面，該熱交換器表面與所述低溫冷卻器室的底部處的較冷的、密度較小的冷卻劑氣體(4. 2K)直接接觸，所述低溫冷卻器室的底部是配置為在所述熱交換器表面與所述至少一個(gè)制冷部件之間提供導(dǎo)熱路徑的導(dǎo)熱區(qū)域。
24.根據(jù)權(quán)利要求23所述的低溫恒溫器設(shè)備，其中，鄰近所述熱交換器表面的所述低溫冷卻器室配置為允許所述至少一個(gè)降溫級(jí)與所述熱交換器表面(26、49、50、52)之間的主要熱交換經(jīng)由浮力對(duì)流實(shí)現(xiàn)。
25.根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的低溫恒溫器設(shè)備，還包括 逆流熱交換器(CFE) (43)，在第一所述至少一個(gè)冷卻劑管中；以及 至少一個(gè)環(huán)境溫度流量控制閥(46)，在所述外殼的外部連接至所述第一至少一根冷卻劑管，所述CFE包括 加溫管(42)，所述加溫管沿其長(zhǎng)度的至少一部分與冷卻管(44)熱接觸，所述加溫管具有耦接至所述至少兩個(gè)虹吸端口中的一個(gè)虹吸端口(53)的冷入口和耦接至所述第一流量控制閥的暖出口； 所述冷卻管具有耦接至所述流量控制閥的暖入口和耦接至所述至少一個(gè)制冷部件(19、21、35、58)的冷出口 ； 所述CFE配置為控制制冷冷卻劑到所述至少一個(gè)制冷部件的流動(dòng)。
26.根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的低溫恒溫器設(shè)備，還包括流量限制裝置(47)；以及 蒸發(fā)室(35)； 所述流量限制裝置連接于所述低溫冷卻器室的底部與所述蒸發(fā)室之間的一根所述至少一根冷卻劑管(61)中，以便以小于所述低溫冷卻器室的底部壓力的壓力將液體冷卻劑傳輸至所述蒸發(fā)室，以使得所述蒸發(fā)室中的溫度能夠低于所述低溫冷卻室的底部中的液體冷卻劑的溫度。
27.根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的低溫恒溫器設(shè)備，還包括所述至少一個(gè)制冷部件下游的一根所述至少一根低溫恒溫器出口管中的環(huán)境溫度控制閥，所述環(huán)境溫度控制閥耦接且配置為控制所述至少一個(gè)制冷部件上游的制冷冷卻劑的流動(dòng)。
28.根據(jù)權(quán)利要求26或27所述的低溫恒溫器設(shè)備，其中，提供來(lái)自所述蒸發(fā)室的蒸發(fā)冷卻劑以冷卻所述至少一個(gè)制冷部件(19、21、58)。
29.根據(jù)權(quán)利要求25至28中任一項(xiàng)所述的低溫恒溫器設(shè)備，其中，所述蒸發(fā)室與所述至少一個(gè)制冷部件(19、21、58)熱連通。
30.根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的低溫恒溫器設(shè)備，其中，所述至少一個(gè)制冷部件(21)是用于實(shí)驗(yàn)試樣的測(cè)量或制備的熱環(huán)境室。
31.根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的低溫恒溫器設(shè)備，還包括 樣本室(21);以及 第三管(61)，將所述低溫冷卻器室(22)的所述底部區(qū)段(26)與所述樣本室熱耦接。
32.根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的低溫恒溫器設(shè)備，還包括通過(guò)第四管耦接至所述低溫冷卻器室的第二所述虹吸端口(57)的頸式交換器(39)，所述頸式交換器熱耦接至所述樣本室(21)。
33.根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的低溫恒溫器設(shè)備，還包括預(yù)冷卻裝置(54、55、59)，所述預(yù)冷卻裝置熱耦接至所述磁體組件且適于連接至所述外殼外部的預(yù)冷卻流體源。
34.根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的低溫恒溫器設(shè)備，還包括 內(nèi)殼(16)，在所述外殼(12)內(nèi)； 中間溫度板(17)，包括所述內(nèi)殼的頂部；以及 頸環(huán)(29)，熱耦接至所述中間溫度板，所述頸環(huán)連接至所述低溫冷卻器室并通過(guò)與所述低溫冷卻器熱耦接來(lái)冷卻。
35.根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的低溫恒溫器設(shè)備，其中，所述低溫冷卻器具有至少兩個(gè)冷卻級(jí)(50、52)，其中在所述底部區(qū)段(26)處的冷卻劑的溫度為所述低溫冷卻器產(chǎn)生的最小溫度。
36.根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的低溫恒溫器設(shè)備，還包括 內(nèi)殼(16)和外殼(12),所述外殼環(huán)繞所述內(nèi)殼，所述外殼形成有頂板(13),所述頂板的外表面處于室溫下； 其中，所述低溫冷卻器具有環(huán)境溫度頂部凸緣(33)，所述環(huán)境溫度頂部凸緣位于所述外殼的外部并位于所述頂板的所述外表面上。
37.根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的低溫恒溫器設(shè)備，還包括在所述外殼(12)內(nèi)的內(nèi)殼(16)，磁體組件(19)位于所述內(nèi)殼內(nèi)，所述低溫冷卻器室(22)至少部分地位于所述內(nèi)殼內(nèi)，所述第一管從所述低溫冷卻器室的在所述內(nèi)殼內(nèi)側(cè)的部分延伸，所述低溫冷卻器室的所述第一虹吸端口位于所述內(nèi)殼內(nèi)。
38.根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的低溫恒溫器設(shè)備，其中，所述低溫冷卻器提供處于大約4. 2K的制冷冷卻劑給所述底部區(qū)段，從而通過(guò)所述低溫板(27)傳導(dǎo)性地提供大約4. 2K的溫度給所述磁體組件。
39.根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的低溫恒溫器設(shè)備，還包括耦接在所述底部區(qū)段與所述磁體組件之間的低溫管(61)，以提供大約處于4. 2K的冷卻劑流體給所述磁體組件。
40.根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的低溫恒溫器設(shè)備，其中，所述至少一個(gè)降溫級(jí)包括第一冷卻級(jí)(50)和第二冷卻級(jí)(52)，所述低溫冷卻器配置為將逐漸變冷的冷卻劑流體從所述第一管提供至所述低溫冷卻器室的所述底部區(qū)段(26)。
41.根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的低溫恒溫器設(shè)備，還包括 在所述外殼(12)內(nèi)的內(nèi)殼(16);以及 中間溫度板(17)，熱耦接至所述第一冷卻級(jí)，所述中間溫度板包括所述內(nèi)殼的頂部。
42.根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的低溫恒溫器設(shè)備，還包括 在所述低溫恒溫器設(shè)備內(nèi)的至少一個(gè)制冷部件(21); 在所述低溫冷卻器室(22)中的中間溫度虹吸端口(57);以及中間溫度冷卻劑管(39)，連接在所述中間溫度虹吸端口與一個(gè)所述至少一個(gè)制冷部件之間。
43.根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的低溫恒溫器設(shè)備，還包括 在所述外殼內(nèi)的至少一個(gè)制冷部件，所述第二 CFE管控制制冷冷卻劑到所述至少一個(gè)制冷部件中的至少一些制冷部件的流動(dòng)， 內(nèi)殼(16),在所述外殼內(nèi)； 頸環(huán)(29)，固定至所述低溫冷卻器室，所述頸環(huán)熱耦接至所述低溫冷卻器的所述第一冷卻級(jí)；以及 中間溫度板(17)，熱耦接至所述頸環(huán)，所述中間溫度板包括所述內(nèi)殼的頂部。
44.根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的低溫恒溫器設(shè)備，還包括 頸式交換器(39)，在所述外殼(12)內(nèi)；以及 第二管(57)，從所述至少兩個(gè)虹吸端口中的一個(gè)虹吸端口耦接至所述頸式交換器。
45.根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的低溫恒溫器設(shè)備，其中，至少兩個(gè)虹吸端口的一個(gè)虹吸端口將溫度降低的冷卻劑從所述底部區(qū)段耦接至所述磁體組件。
46.根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的低溫恒溫器設(shè)備，所述設(shè)備適用于調(diào)節(jié)溫度。
47.用于調(diào)節(jié)低溫恒溫器設(shè)備中的溫度的方法，所述設(shè)備包括低溫冷卻器室(22)，具有至少一個(gè)環(huán)境溫度氣體入口(36);低溫冷卻器(30、31、33)，具有至少一個(gè)降溫級(jí)(50、52)，所述低溫冷卻器至少部分位于所述低溫冷卻器室內(nèi)；制冷容積(48)，包括在所述低溫冷卻器的至少一個(gè)降溫級(jí)與所述低溫冷卻器室的內(nèi)壁之間的空間，并且所述氣體入口端口穿透至所述空間中；用于連接至環(huán)境溫度冷卻劑氣源的裝置(34、37);至少一個(gè)氣體或液體虹吸端口(53、57、61)，位于所述低溫冷卻器室的壁內(nèi)；至少一個(gè)制冷部件(21)，至少部分地位于所述低溫恒溫器內(nèi)側(cè)且至少部分地位于所述制冷容積外側(cè)，并且需要冷卻；冷卻劑管，將每個(gè)氣體或液體虹吸端口連接至所述至少一個(gè)制冷部件(39、44、61)中的一個(gè)；至少一根低溫恒溫器出口管，從所述至少一個(gè)制冷部件中的一個(gè)延伸至所述低溫恒溫器外側(cè)并且布置為使冷卻劑流出所述低溫恒溫器；所述方法包括 使環(huán)境溫度冷卻劑流入所述氣體入口端口并進(jìn)入所述低溫冷卻器室的制冷容積；使所述冷卻劑氣體流過(guò)所述制冷容積并從而通過(guò)與所述低溫冷卻器的一個(gè)或多個(gè)逐漸變冷的降溫級(jí)進(jìn)行熱交換來(lái)冷卻所述冷卻劑； 通過(guò)所述至少一個(gè)虹吸端口從所述制冷容積抽取制冷冷卻劑； 將所述制冷冷卻劑從所述至少一個(gè)虹吸端口傳送至所述至少一個(gè)制冷部件中的一個(gè)制冷部件，以冷卻該制冷部件；以及 使所述冷卻劑經(jīng)由至少一個(gè)低溫出口管從所述制冷部件流動(dòng)至所述低溫恒溫器的外側(cè)。
48.根據(jù)權(quán)利要求47所述的方法，其中，所述低溫恒溫器設(shè)備還包括虹吸端口(53、57、61)，具體地定位成在所述制冷容積內(nèi)對(duì)處于不同溫度的冷卻劑流進(jìn)行采樣，所述方法還包括 通過(guò)第一虹吸端口從所述制冷容積抽取所述制冷冷卻劑流的一部分，虹吸的冷卻劑被冷卻至大于所述冷卻器的最小降溫級(jí)的溫度； 通過(guò)至少一個(gè)附加虹吸端口從所述制冷容積抽取所述冷卻劑流的另一部分，所述虹吸的冷卻劑已被冷卻至小于所述第一虹吸端口的溫度。
49.根據(jù)權(quán)利要求47或48所述的方法，其中，所述低溫恒溫器設(shè)備還包括將所述至少一個(gè)氣體或液體虹吸端口連接至所述至少一個(gè)制冷部件的所述冷卻劑管中的至少一根冷卻劑管，所述至少一根冷卻劑管包括逆流換熱器(CFE) (43)以及至少一個(gè)環(huán)境溫度流量控制閥(46)，所述CFE包括加溫管(42)，所述加溫管沿其長(zhǎng)度的一部分與冷卻管(44)接觸，所述加溫管具有連接至所述虹吸端口的冷入口以及連接至第一環(huán)境溫度流量控制閥的熱出口，所述冷卻管具有連接至所述至少一個(gè)環(huán)境溫度流量控制閥的熱入口以及耦接至所述至少一個(gè)制冷組件(19、21、35)的冷出口，其中所述CFE布置為控制所述制冷冷卻劑到所述至少一個(gè)制冷部件的流動(dòng)，所述方法包括 通過(guò)以下方式控制所述制冷冷卻劑到至少一個(gè)制冷部件的流動(dòng) 使從所述至少一個(gè)虹吸端口中的一個(gè)虹吸端口(53)抽取的制冷冷卻劑流入所述CFE的冷卻入口； 通過(guò)與所述CFE中的冷卻流的熱交換來(lái)對(duì)冷卻劑流逐漸加溫，直到所述流被加溫至環(huán)^!■溫度； 使所述環(huán)境溫度冷卻劑通過(guò)所述環(huán)境溫度流量控制閥； 使用所述環(huán)境溫度流量控制閥控制所述冷卻劑流；以及 通過(guò)與所述CFE中的暖流進(jìn)行熱交換來(lái)逐漸冷卻來(lái)自所述環(huán)境溫度流量控制閥的冷卻劑流，直到所述冷卻劑流被冷卻至基本為所述制冷冷卻劑的溫度；以及將所述冷卻劑傳送至所述至少一個(gè)制冷部件。
50.根據(jù)權(quán)利要求47-49中的一項(xiàng)所述的方法，其中，所述低溫恒溫器設(shè)備還包括所述虹吸端口中的至少一個(gè)虹吸端口(61 )，該至少一個(gè)虹吸端口具體地配置和定位成從所述制冷容積抽取液化冷卻劑；以及作為所述冷卻劑管的部分的流動(dòng)限制裝置(47)，所述流動(dòng)限制裝置耦接至蒸發(fā)室(35)以便將液體冷卻劑傳送至所述蒸發(fā)室，所述方法還包括 充分地冷卻所述制冷容積內(nèi)部的所述制冷冷卻劑中的至少一些制冷冷卻劑，以便將該至少一些制冷冷卻劑冷凝成液體冷卻劑； 通過(guò)所述流動(dòng)限制裝置從所述低溫冷卻器室虹吸所述液體冷卻劑，并將所述液體冷卻劑傳送至所述蒸發(fā)室；以及 經(jīng)由連接出口管在所述蒸發(fā)室上泵送，以蒸發(fā)和冷卻所述蒸發(fā)室并將蒸發(fā)的冷卻劑冷卻至溫度小于所述低溫冷卻器的最冷的降溫級(jí)的溫度。
51.根據(jù)權(quán)利要求47-50中的一項(xiàng)所述的方法，其中，所述低溫恒溫器設(shè)備還包括所述低溫恒溫器出口管中的至少一個(gè)低溫恒溫器出口管，該至少一個(gè)低溫恒溫器出口管在關(guān)聯(lián)的至少一個(gè)制冷部件的下游點(diǎn)處耦接至環(huán)境溫度流量控制閥，所述方法還包括 通過(guò)利用所述環(huán)境溫度流量控制閥控制排出冷卻劑的流動(dòng)，來(lái)控制制冷冷卻劑的流動(dòng)并且從而控制所述關(guān)聯(lián)的至少一個(gè)制冷部件可獲得的冷卻功率。
52.根據(jù)權(quán)利要求47-51中的一項(xiàng)所述的方法，其中，所述低溫恒溫器設(shè)備還包括所述低溫冷卻器室的壁中的一個(gè)或多個(gè)導(dǎo)熱區(qū)域，每個(gè)區(qū)域布置為在所述低溫冷卻器室外側(cè)的所述至少一個(gè)制冷部件與位于所述低溫冷卻器室內(nèi)側(cè)的交換器表面之間提供熱傳導(dǎo)，所述方法還包括 通過(guò)與所述制冷容積中的所述制冷冷卻劑進(jìn)行熱交換來(lái)冷卻所述交換器表面；以及 利用通過(guò)所述低溫冷卻器室的壁的傳導(dǎo)區(qū)的固體傳導(dǎo)來(lái)冷卻所述至少一個(gè)制冷部件。
53.根據(jù)權(quán)利要求47-52中的一項(xiàng)所述的方法，其中，所述低溫恒溫器設(shè)備還包括附接至所述傳導(dǎo)區(qū)的至少一個(gè)加熱器，所述傳導(dǎo)區(qū)與所述冷卻器室中的液態(tài)冷卻劑熱連通，所述方法還包括 控制所述加熱器功率以保持最小冷卻劑蒸氣壓力，從而保持所述冷卻器室內(nèi)部的冷卻劑壓力、以及驅(qū)動(dòng)所述冷卻劑循環(huán)所需的冷卻劑壓力。
全文摘要
一種用于提供溫度調(diào)節(jié)的低溫恒溫器，其一個(gè)目的在于測(cè)量材料的物理性質(zhì)，該低溫恒溫器采用用于在樣本空間(21)內(nèi)產(chǎn)生可變磁場(chǎng)的超導(dǎo)磁體組件(19)以及用于冷卻該樣本空間的低溫冷卻器(30、31、33、50、52)。低溫冷卻器室(22)的配置在低溫冷卻器的不同級(jí)之間提供有效的熱交換，而不需要物理熱聯(lián)接。該構(gòu)造使得能夠?qū)⒗鋮s功率從低溫冷卻器選擇性地傳送至低溫恒溫器內(nèi)的期望區(qū)域，而無(wú)需使用柔性物理熱聯(lián)接。逆流交換器(43)和環(huán)境溫度閥(40、46)有利于低溫冷卻器級(jí)(30、31)的有效使用。實(shí)現(xiàn)了在掃描模式中運(yùn)行的同時(shí)移除超導(dǎo)磁體生成的大的熱負(fù)荷，這部分地通過(guò)采用在低溫冷卻器室與磁體組件之間的實(shí)心板(27)熱耦接元件來(lái)實(shí)現(xiàn)。
文檔編號(hào)F17C13/00GK102971594SQ201180013515
公開(kāi)日2013年3月13日 申請(qǐng)日期2011年3月11日 優(yōu)先權(quán)日2010年3月11日
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