带插杆功能的干式稀释制冷机快速预冷的热开关及方法

1.本发明涉及一种带插杆功能的干式稀释制冷机快速预冷的热开关及方法，属于干式稀释制冷技术领域。


背景技术：

2.干式稀释制冷机通常采用机械制冷机(如g-m制冷机和pulse-tube制冷机)提供降温至3k的冷量，对稀释制冷单元进行预冷和保温。在预冷过程中，机械制冷机需要跟稀释单元有充分的热交换，从而加快系统的降温速度，保障下一步稀释制冷过程的正常运行。在稀释制冷运行的过程中，稀释单元与周围环境保持有效的隔热状态，防止周围环境将热量传递到mk温度的稀释单元。在现有的商用干式稀释制冷机中，常见的有碳泵热交换器和内真空腔(inner vacuum can,ivc)形成的热交换器两种。碳泵热交换器工作原理为：稀释制冷机的3k盘(与机械制冷机二级冷头热连接的冷屏)与稀释单元的各级冷盘通过一根低温下绝热的密封不锈钢管连接。不锈钢管内充有适量氦气，放置了适量活性炭，并设置了活性炭加热装置。预冷时加热活性炭，释放氦气，通过氦气热对流的方式将机械制冷机二级冷头的冷量传递到稀释单元。在稀释制冷阶段，关闭加热装置，活性炭吸附密封腔内的氦气，形成绝热状态。ivc是在3k盘下方设计一个真空腔将整个稀释单元包含在里面，真空腔与3k盘热连接。在预冷阶段往ivc充入氦气，冷却稀释单元；在稀释制冷阶段抽出氦气，对稀释单元进行保温。
3.现有的干式稀释制冷机稀释制冷单元的预冷热交换器有以下两个问题：1、预冷稀释单元的冷量来自机械制冷机的二级冷头，冷量较小，而随着超导量子比特数增加，稀释单元内的器件越来越多，稀释单元的预冷时间将大幅度增大。2、干式稀释制冷机在预冷过程中，机械制冷机的一级冷头提供较大的冷量，并使稀释制冷机的50k盘(与机械制冷机一级冷头热连接)快速达到目标温度，之后的一级冷头制冷量很大部分被浪费。


技术实现要素：

4.发明目的：为了克服现有技术中存在的不足，本发明提供一种带插杆功能的干式稀释制冷机快速预冷的热开关及方法，利用机械制冷机的一级冷量，实现稀释制冷机的快速预冷，达到减少预冷等待时间和降低预冷费用的目的。
5.技术方案：为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：
6.一种带插杆功能的干式稀释制冷机快速预冷的热开关，包括插杆、机械制冷机、一级冷头、二级冷头以及由外到内依次设置的真空腔、50k层、4k层、still层、100mk层、混合室，所述50k层的顶部设置有第一通孔，所述4k层的顶部设置有第二通孔，所述still层的顶部设置有第三通孔，所述100mk层的顶部设置有第四通孔，所述混合室的顶部设置有插杆定位和固定装置，且所述第一通孔、第二通孔、第三通孔、第四通孔的中心在同一条直线上。所述定位和固定装置设置有用于放置样品的样品室。
7.所述插杆包括第一动密封杆、第二动密封杆以及由下到上依次叠加设置的混合室
传热件、still传热件、二级传热件、一级传热件，所述混合室传热件位于样品室的上方。所述混合室传热件与第四通孔之间滑动连接，所述混合室传热件与样品室之间通过弹簧三支撑连接。所述still传热件与第三通孔之间滑动连接，所述still传热件与混合室传热件之间通过弹簧二支撑连接。所述二级传热件与第二通孔之间滑动连接，所述二级传热件与still传热件之间通过弹簧一支撑连接。所述一级传热件与第一通孔之间滑动连接。
8.所述机械制冷机固定安装在真空腔外表面，所述一级冷头安装在50k层上，所述二级冷头安装在4k层上，且所述机械制冷机、一级冷头、二级冷头依次连通。
9.所述第一动密封杆的下端穿过一级传热件与二级传热件固定连接，所述第一动密封杆的上端伸出真空腔外表面，所述第一动密封杆可实现不影响真空的情况下，一定范围内的上下滑动。所述第二动密封杆的下端与一级传热件固定连接，所述第二动密封杆的上端伸出真空腔外表面，所述动密封可实现不影响真空的情况下，一定范围内的上下滑动。
10.优选的：所述样品室包括样品腔和传热底座，所述传热底座与混合室固定连接。所述样品腔设置于传热底座上，且所述样品腔和传热底座之间通过定位杆进行定位。
11.优选的：所述第一动密封杆上设置有第一定位梢，所述第二动密封杆上设置有第二定位梢。
12.优选的：所述定位杆为玻璃纤维环氧树脂杆。
13.优选的：所述混合室传热件与第四通孔之间形成滑动热接触，所述still传热件与第三通孔之间形成滑动热接触，所述二级传热件与第二通孔之间形成滑动热接触，所述一级传热件与第一通孔之间形成滑动热接触，所述第一动密封杆与真空腔之间形成滑动密封，所述第二动密封杆与真空腔之间形成滑动密封。
14.一种带插杆功能的干式稀释制冷机快速预冷的热开关的使用方法，包括以下步骤：
15.步骤1，封住系统抽真空；
16.步骤2，将系统抽真空后，开启机械制冷机进行预冷，将第一动密封杆和第二动密封杆都调节至最底端，使样品腔和传热底座热接触，同时一级传热件、二级传热件、still传热件、混合室传热件、样品腔依次热接触，此时系统处于一级预冷状态。此时由于制冷机的一级冷头的冷量大，可快速将稀释制冷机内部各层冷屏冷却至45-55k。
17.步骤3，向上调节第二动密封杆至设定断开状态，一级传热件向上升至与二级传热件断开接触，此时系统处于二级预冷状态。
18.步骤4，系统进一步降温，机械制冷机的二级冷头降温至3-5k，此时通过二级传热件、still传热件、混合室传热件、传热底座导热将4k屏以内的区域冷却至3-5k。
19.步骤5，待稀释制冷机充分预冷后，进行氦气冷凝和稀释制冷环节，此时需要稀释制冷机内部各级之间热绝缘，因此向上调节第一动密封杆至设定断开状态，此时样品腔与传热底座连接，而一级传热件、二级传热件、still传热件、混合室传热件及样品腔之间断开接触，各级形成热绝缘。此时传热件堵住各级的洞口，防止热辐射进入，具备辐射屏的作用。此时系统处于热绝缘状态。
20.步骤6，系统回温时，调节第一动密封杆和第二动密封杆使系统处于一级预冷状态，通过机械制冷机传热使系统迅速回温。
21.本发明相比现有技术，具有以下有益效果：
22.1.利用一级冷头的大制冷量将稀释制冷机内部区域从室温预冷至50k，由于室温至50k的材料热容相对较大，本发明可大幅度降低干式稀释制冷机预冷时间，从而降低预冷等待时间和系统使用成本。
23.2.相比干式稀释制冷机传统的热开关有以下优点：相比碳泵热开关，低温下使用固体传热的方式相比效率更高，不存在长时间运行引起的活性炭失效、氦气减少等问题。本发明在绝热阶段断开接触，绝热效果更好。
24.3.可以在不拆卸系统的情况下直接将被测样品送入系统最低温处，省去系统拆装环境。
25.4.相比通入气体、加热等复温方式，该方式复温效率高，成本低，且无对系统造成损坏的风险。
附图说明
26.图1为一级预冷状态示意图。
27.图2为二级预冷状态示意图。
28.图3为绝热状态示意图。
29.图4为样品座示意图。
具体实施方式
30.下面结合附图和具体实施例，进一步阐明本发明，应理解这些实例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围，在阅读了本发明之后，本领域技术人员对本发明的各种等价形式的修改均落于本技术所附权利要求所限定的范围。
31.一种带插杆功能的干式稀释制冷机快速预冷的热开关，如图1-3所示，包括插杆、机械制冷机8、一级冷头9、二级冷头11以及由外到内依次设置的真空腔2、50k层3、4k层4、still层5、100mk层6、混合室7，所述50k层3的顶部设置有第一通孔，所述4k层4的顶部设置有第二通孔，所述still层5的顶部设置有第三通孔，所述100mk层6的顶部设置有第四通孔，所述混合室7的顶部设置有插杆定位和固定装置，且所述第一通孔、第二通孔、第三通孔、第四通孔的中心在同一条直线上。所述有插杆定位和固定装置设置有用于放置样品16的样品室。
32.所述插杆包括第一动密封杆101、第二动密封杆102以及由下到上依次叠加设置的混合室传热件14、still传热件13、二级传热件12、一级传热件10，所述混合室传热件14位于样品室的上方。所述混合室传热件14与第四通孔之间滑动连接，且所述混合室传热件14与第四通孔之间形成滑动热接触，同时所述混合室传热件14与样品室之间通过弹簧三支撑连接。所述still传热件13与第三通孔之间滑动连接，且所述still传热件13与第三通孔之间形成滑动热接触，同时所述still传热件13与混合室传热件14之间通过弹簧二支撑连接。所述二级传热件12与第二通孔之间滑动连接，且所述二级传热件12与第二通孔之间形成滑动热接触，同时所述二级传热件12与still传热件13之间通过弹簧一15支撑连接。所述一级传热件10与第一通孔之间滑动连接，且所述一级传热件10与第一通孔之间形成滑动热接触。弹簧一15、弹簧二、弹簧三采用304不锈钢弹簧。
33.所述机械制冷机8固定安装在真空腔2外表面，所述一级冷头9安装在50k层3上，所
述二级冷头11安装在4k层4上，且所述机械制冷机8、一级冷头9、二级冷头11依次连通。
34.所述第一动密封杆101的下端穿过一级传热件10与二级传热件12固定连接，所述第一动密封杆101的上端伸出真空腔2外表面，所述第一动密封杆(101)可实现不影响真空腔(2)的真空度的情况下，一定范围内的上下滑动。所述第二动密封杆102的下端与一级传热件10固定连接，所述所述第二动密封杆(101)可实现不影响真空腔(2)的真空度的情况下，一定范围内的上下滑动，第一动密封杆101、第二动密封杆102可实现从真空腔2外界对内部的垂直运动，第一动密封杆101控制4k层4的垂直方向运动，第二动密封杆102控制一级传热件10的垂直方向运动。
35.如图4所示，所述样品室包括样品腔171和传热底座172，所述传热底座172与混合室7固定连接。所述样品腔171设置于传热底座172上，且所述样品腔171和传热底座172之间通过定位杆173进行定位。传热底座172开孔通过螺丝与混合室相连，所述定位杆173为玻璃纤维环氧树脂杆。璃纤维环氧树脂杆的作用有两个：一是对样品腔171进行定位，通过样品腔171上的孔和传热底座172上的璃纤维环氧树脂杆(g-10杆)进行定位；二是璃纤维环氧树脂杆低温热收缩率低，无氧铜热收缩率大，因此常温下将璃纤维环氧树脂杆杆插进样品座后，低温下由于无氧铜孔径缩小，实现样品腔171和传热底座172的紧密接触。
36.所述第一动密封杆101上设置有第一定位梢，所述第二动密封杆102上设置有第二定位梢，用于精准设置本发明的不同工作模式。
37.所述第一动密封杆101、第二动密封杆102材质采用304不锈钢，使用低热导率的304不锈钢杆，可有效隔绝4k、50k盘和室温端的传热。
38.弹簧一15、弹簧二、弹簧三主要作用有：作为连接件连接导热件级传热件12、still传热件13、混合室传热件14和样品室，使本发明形成一个插杆在绝热阶段，不锈钢的低热导率和弹簧形式的长距离可有效隔绝传热件之间的热传递；导热阶段，通过热开关施加压力，使弹簧缩短至传热件之间可相互接触，实现传热。
39.一级传热件10、二级传热件12、still传热件13、混合室传热件14有两个作用，在预冷阶段，传热件之间与各级冷屏之间相互接触，通过固体导热的形式将机械制冷机产生的冷量传递到稀释制冷机的各级；在绝热过程中，各传热件之间断开接触，各级传热件与各级冷屏接触传热，形成各级热辐射屏。一级传热件10、二级传热件12、still传热件13、混合室传热件14传热件材料使用高纯度无氧铜，可实现低温下的快速导热。
40.一种带插杆功能的干式稀释制冷机快速预冷的热开关的使用方法，本发明可以对干式稀释制冷机的稀释单元进行快速预冷，为了使稀释制冷机正常工作，分为一级预冷、二级预冷和绝热三个模式，包括以下步骤：
41.步骤1，使用前，传热底座172事先安装在混合室法兰盘上，将插杆(第一动密封杆101、第二动密封杆102、一级传热件10、二级传热件12、still传热件13、混合室传热件14、弹簧一15、弹簧二、弹簧三构成的整体结构)垂直放进制冷机，固定顶部法兰，然后封住系统抽真空，将第一动密封杆101和第二动密封杆102都调节至最底端，使样品腔171和传热底座172热接触，同时一级传热件10、二级传热件12、still传热件13、混合室传热件14、样品腔171依次热接触，此时系统处于一级预冷状态。
42.步骤2，将系统抽真空后，开启机械制冷机进行预冷，此时由于制冷机的一级冷头9的冷量大，可快速将稀释制冷机内部各层冷屏冷却至50k左右。
43.步骤3，向上调节第二动密封杆102至设定断开状态，一级传热件10向上升至与二级传热件12断开接触，此时系统处于二级预冷状态。
44.步骤4，系统进一步降温，机械制冷机的二级冷头11降温至3-5k，此时通过二级传热件12、still传热件13、混合室传热件14、传热底座172导热将4k屏以内的区域冷却至4k左右。
45.步骤5，待稀释制冷机充分预冷后，进行氦气冷凝和稀释制冷环节，此时需要稀释制冷机内部各级之间热绝缘，因此向上调节第一动密封杆101至设定断开状态，此时样品腔171与传热底座172连接，而一级传热件10、二级传热件12、still传热件13、混合室传热件14及样品腔171之间断开接触，各级形成热绝缘。此时传热件堵住各级的洞口，防止热辐射进入，具备辐射屏的作用。此时系统处于热绝缘状态。
46.步骤6，系统回温时，调节第一动密封杆101和第二动密封杆102使系统处于一级预冷状态，通过机械制冷机传热使系统迅速回温。
47.本发明利用干式稀释制冷机插杆的通道，通过插杆(包括第一动密封杆101、第二动密封杆102、一级传热件10、二级传热件12、still传热件13、混合室传热件14、弹簧一15、弹簧二、弹簧三)的形式，在预冷环节通过固体导热的形式，将机械制冷机一级冷头的冷量传递到稀释单元，加速前期预冷。在稀释制冷时，该装置处于绝热阶段，该装置的各级与稀释制冷机的各级热接触，并在且插杆的各级之间热绝缘，对稀释单元形成保温效果。
48.以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。