用于低温制冷的系统和方法技术方案

在此披露了用于改善稀释制冷系统的性能的系统和方法，这些系统和方法包括在一个稀释制冷机的氦回路中采用的多个低温冷凝阱，这些低温冷凝阱可以被修改以改善性能。一个低温冷凝阱采用具有至少一个温度的一个低温冷凝表面，该至少一个温度优选地与至少一种污染物从一种气体形式冷冻成一种固体形式的温度相匹配。可以采用具有以一个总体上螺旋形或螺旋状方式形成的至少一个连续低温冷凝表面的一个单个阱来截留一种特定污染物或一组特定污染物，其中每个区域具有一个不同的温度。可替代地，可以出于相同的目的采用具有多个低温冷凝表面的一个单个阱，其中每个表面具有一个不同的温度。为了在该低温冷凝阱中提供一个温度梯度，该低温冷凝阱的至少一个区域可以被热耦合到一个冷表面和/或一个传输管上。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】
本专利技术的系统和方法总体上涉及低温制冷技术。
技术介绍
制冷温度是能够对物理系统的状态和进化造成重大影响的一种属性。例如，极热的环境甚至能够导致最强且最坚固的材料熔化掉或分散为气体。同样地，被冷却到低温的系统可以进入物理属性和行为与在室温下观察到的物理属性和行为基本上不同的工作状态。在许多技术中，在此低温工作状态下操作并且利用在寒冷区域中实现的物理行为可以是有利的。在此描述的这些系统、方法和装置的不同实施例可以被用来提供并维持利用低温下的物理现象所必须的低温环境。贯穿本说明书和随附权利要求书，术语“低温”被用来指代0至约93K的温度范围。多种技术可以实现以便产生具有低温的环境，尽管本领域已知的常用装置是被称为稀释制冷机的氦-3(3He)–氦-4(4He)稀释制冷机。稀释制冷机甚至可以被用来实现低于50mK的极度低温。在一个典型的3He/4He稀释制冷机的操作中，这些稀释部件需要约4K的背景温度。为了提供此背景冷却，这些稀释部件可以例如浸入一种液体4He的蒸发浴中，或者例如耦合到另一类型的制冷或冷却装置上，诸如一个脉冲管低温冷却器。这些主要稀释制冷机部件可以包括一系列热交换器和腔室，这些热交换器和腔室允许温度下降到3He和4He的混合物分离成两种不同相的一个点。第一相主要是3He，即集中相，并且第二相，即稀释相主要是4He连同一些3He。稀释制冷机总体上被配置成允许3He中的一些在吸热过程中从集中相移动到稀释相中，从而提供冷却并且允许实现约10mK的温度。3He通过一个逆流式热交换器从稀释相中被抽吸出来，冷凝，冷却，并且然后经由该逆流式热交换器返回到该混合物的集中相部分。尽管该稀释相是富含4He的，但3He优先地从该稀释相被抽吸出来，因为3He具有比4He更高的分压。如所描述的过程定义一个氦回路。针对此稀释效应和典型稀释制冷机的操作的进一步细节可以在F.鲍贝尔(F.Pobell)的低温下的物质和方法(MatterandMethodsatLowTemperatures)，斯普林格出版社，第二版，1996年，第120-156页中找到。在大多数稀释制冷机设计中，使用多个机械泵、多个压缩机和一个外部气体处理系统来使3He循环以便在将3He返回到较低的低温前将3He从制冷机中的最低温度升温到高于低温。常规使用的泵和压缩机是大型的、昂贵的、有噪声的、需要定期维护并且不可避免地将污染物，诸如空气(即氮气、氧气、二氧化碳、氩气等)添加到氦中。这些污染物典型地具有比氦更高的冰点并且因此倾向于在氦流体通道中固化，从而形成阻塞。此类阻塞可以堵塞该稀释制冷机中的精细毛细管，从而引起可靠性问题。堵塞通常需要一个稀释制冷机的完全升温以便去除污染物并且将该制冷机恢复到正常操作状态。升温和随后冷却回到操作温度的过程可能花费几天时间。多个过滤器和冷阱可以被用来通过从氦去除污染物而减少堵塞的频率，但是常规的过滤器和阱具有受限的有效性，并且甚至在采用现有技术的过滤器和冷阱的制冷机中堵塞继续发生。因此，由污染物造成的堵塞在低温制冷技术中仍然是影响制冷机性能的一个严重的技术挑战，并且本领域中仍然存在对于用于低温制冷系统中污染物过滤和/或截留的改善的系统和方法的需要。
技术实现思路
一种低温阱系统可以被概括为包括：一个外壳，该外壳具有一个第一末端、与该第一末端相对的一个第二末端、和形成该外壳的一个内部的一个内表面；一个入口，用于一个氦回路中的一种气体进入该外壳的该内部；一个出口，用于该气体离开该外壳的该内部；以及在该外壳的该内部中的至少一个螺旋形低温冷凝表面，其中该至少一个螺旋形低温冷凝表面从至少邻近该外壳的该第一末端的位置处至少朝向该外壳的该第二末端轴向地延伸，并且被导热性地耦合到一个冷源上。该至少一个螺旋形低温冷凝表面的多个部分中的对应一个可以被导热性地耦合到该至少一个冷源的处于多个不同温度下的多个对应部分上，并且该至少一个螺旋低温冷凝表面可以在从该第一末端到该第二末端横越该外壳的该内部时展示出一个温度梯度。至少一个低温冷凝表面可以在该外壳的该内部中径向地延伸并且可以包括在一个螺旋形构件的一个外表面上的至少一个螺旋形低温冷凝表面，该螺旋形构件沿着该外壳的大部分轴向地延伸。该螺旋形构件可以是具有一对相对的外表面的一个螺旋板的形式，其中该至少一个螺旋形低温冷凝表面可以包括这些相对的外表面中的至少一个。该出口可以至少邻近该外壳的第一末端定位，并且可以进一步包括具有一个内部通路的一个传输管，该传输管提供从至少邻近该外壳的该第二末端的位置处到该外壳的该第一末端的返回流动路径，并且该传输管流体地联接到该出口上。该传输管可以是螺旋形的。该传输管可以沿着该传输管的一个长度被导热性地耦合到该螺旋板上。该传输管可以至少由该螺旋形构件紧密地接收并且该螺旋形构件可以至少由外壳紧密地接收。该螺旋形构件可以包括一种螺旋形织物并且该至少一个低温冷凝表面可以包括该螺旋形织物的多个线股的一个对应外表面。该螺旋形织物可以是编织织物、非编织织物或其任何组合中的至少一种。该出口可以至少邻近该外壳的第一末端定位，并且可以进一步包括具有一个内部通路的一个传输管，该传输管提供从至少邻近该外壳的该第二末端的位置处到该外壳的该第一末端的返回流动路径，并且该传输管流体地联接到该出口上。该传输管可以沿着该传输管的一个长度被导热性地耦合到该螺旋形织物上。该传输管可以至少由该螺旋形织物紧密地接收并且该螺旋形织物可以至少由外壳的该内部紧密地接收。该出口可以至少邻近该外壳的第一末端定位，并且可以进一步包括具有一个内部通路的一个传输管，该传输管提供从至少邻近该外壳的该第二末端的位置处到该外壳的该第一末端的返回流动路径，并且该传输管流体地联接到该出口上。该传输管可以是螺旋形的。该低温冷凝表面中的至少一个可以包括该传输管的一个外表面。该低温阱系统可以进一步包括至少由该传输管紧密地接收的一个密封柱，其中该密封柱延伸至少达该传输管的一个长度，并且其中该传输管至少由外壳的该内部紧密地接收。该低温阱系统可以进一步包括具有一个内部通路的一个内管，其中该内管的大部分由该外壳的该内部接收，该外壳是螺旋形的，该至少一个低温冷凝表面包括该内管的一个表面，该内管的该内部通路提供一个第一流动路径并且在该内管与该外壳的该内表面之间的一个间隙提供一个第二流动路径。沿着该第一流动路径的一个流动可以在与沿着该第二流动路本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种低温阱系统，包括：一个外壳，该外壳具有一个第一末端、与该第一末端相对的一个第二末端、和形成该外壳的一个内部的一个内表面；一个入口，用于一个氦回路中的一种气体进入该外壳的该内部；一个出口，用于该气体离开该外壳的该内部；以及该外壳的该内部中的至少一个螺旋形低温冷凝表面，其中该至少一个螺旋形低温冷凝表面：从至少邻近该外壳的该第一末端的位置处至少朝向该外壳的该第二末端轴向地延伸；并且被导热性地耦合到一个冷源上。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2013.09.23 US 61/881,3131.一种低温阱系统，包括：
一个外壳，该外壳具有一个第一末端、与该第一末端相对的一
个第二末端、和形成该外壳的一个内部的一个内表面；
一个入口，用于一个氦回路中的一种气体进入该外壳的该内部；
一个出口，用于该气体离开该外壳的该内部；以及
该外壳的该内部中的至少一个螺旋形低温冷凝表面，其中该至
少一个螺旋形低温冷凝表面：
从至少邻近该外壳的该第一末端的位置处至少朝向该外壳的该
第二末端轴向地延伸；并且
被导热性地耦合到一个冷源上。
2.如权利要求1所述的低温阱系统，其中该至少一个螺旋形低温冷凝
表面的多个部分中的对应一个被导热性地耦合到该至少一个冷源的
处于多个不同温度下的多个对应部分上，并且该至少一个螺旋形低
温冷凝表面在从该第一末端到该第二末端横越该外壳的该内部时展
示出一个温度梯度。
3.如权利要求2所述的低温阱系统，其中该至少一个低温冷凝表面在
该外壳的该内部中径向地延伸并且包括在一个螺旋形构件的一个外
表面上的至少一个螺旋形低温冷凝表面，该螺旋形构件沿着该外壳
的大部分轴向地延伸。
4.如权利要求3所述的低温阱系统，其中该螺旋形构件是具有一对相
对的外表面的一个螺旋板的形式，其中该至少一个螺旋形低温冷凝
表面包括这些相对的外表面中的至少一个。
5.如权利要求4所述的低温阱系统，其中该出口至少邻近该外壳的该
第一末端定位，并且该出口进一步包括：
具有一个内部通路的一个传输管，该传输管提供从至少邻近该
外壳的该第二末端的位置处到该外壳的该第一末端的一个返回流动
路径，并且该传输管流体地联接到该出口上。
6.如权利要求5所述的低温阱系统，其中该传输管是螺旋形的。
7.如权利要求6所述的低温阱系统，其中该传输管沿着该传输管的一
个长度被导热性地耦合到该螺旋板上。
8.如权利要求7所述的低温阱系统，其中该传输管至少由该螺旋形构
件紧密地接收并且该螺旋形构件至少由外壳紧密地接收。
9.如权利要求3所述的低温阱系统，其中该螺旋形构件包括一种螺旋
形织物并且该至少一个低温冷凝表面包括该螺旋形织物的多个线股
的一个对应外表面。
10.如权利要求9所述的低温阱系统，其中该螺旋形织物是编织织物、
非编织织物或其任何组合中的至少一种。
11.如权利要求9所述的低温阱系统，其中该出口至少邻近该外壳的该
第一末端定位，并且该出口进一步包括：
具有一个内部通路的一个传输管，该传输管提供从至少邻近该
外壳的该第二末端的位置处到该外壳的该第一末端的一个返回流动
路径，并且该传输管流体地...

【专利技术属性】
技术研发人员：格雷戈里·奇韦尔，雅各布·克雷格·彼得罗夫，萨沙·维克拉姆·冈恩，埃德蒙·霍·因·坎，
申请(专利权)人：D波系统公司，
类型：发明
国别省市：加拿大;CA