CN211316637U - 一种绝热去磁制冷系统 - Google Patents
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Abstract
一种绝热去磁制冷系统，包括超导磁体和依次连接的冷头、磁热模块、热开关和热沉；磁热模块和热开关均设于超导磁体的内侧，磁热模块和热开关共用超导磁体；热开关为超导式热开关或磁阻式热开关组件。上述绝热去磁制冷系统，将热开关内置于磁热模块的超导磁体中，磁热模块和热开关共用超导磁体，有效减少了所需超导磁体的数量，降低了系统冗余程度，紧凑程度更高。此外，磁热模块和热开关共用超导磁体，不会因为磁热模块和热开关分别使用不同的超导磁体而产生相互磁场干扰。
Description
技术领域
本实用新型涉及极低温制冷技术领域，尤其涉及一种绝热去磁制冷系统。
背景技术
极低温制冷技术，是指提供1开尔文温度(1K)以下冷源的制冷技术，其中热开关技术是控制热量传递、保障过程绝热的关键技术。极低温制冷的作用可归纳为三方面：(1)提供极端物理环境，以研究或利用物质在极低温下所具有的特性，例如氦3的超流现象(2.7mK)；(2)物质在极低温下具有极小的比热，是某些高灵敏度元件的必要条件,例如单光子探测器(约100mK)；(3)用于削弱电子系统中热噪声的影响，提高信噪比，从而测量微弱信号，例如量子计算机(约100mK)。常用的极低温制冷技术包括氦3减压制冷、稀释制冷、吸附制冷、Pomeranchuk制冷和绝热去磁制冷。其中，绝热去磁作为一种固态制冷方式，具有不依赖重力、不依赖稀缺工质氦3、紧凑高效的突出优点，已成为空间应用的主流极低温制冷技术，同时在地面应用中也渐受青睐。
请参考图1，绝热去磁制冷过程中，热开关的作用如下：当磁热模块16 励磁时，温度上升，此时热开关14导通(ON)，工质经由热开关14向热沉12 放热；当磁热模块16励磁结束，需在绝热条件下去磁时，热开关14断开(OFF)，阻止热量由热沉12流向温度较低的工质，从而实现降温制冷。
超导式热开关的原理是利用超导材料在正常态和超导态下热导率的差异实现导通和断开的切换。当材料处于超导状态时，由于电子处于熵值为零的状态，无法传递热量，材料热导率低，热开关处于断开状态；当施加磁场时，材料失超，恢复为热导率较高的正常态，热开关切换为导通状态。
传统的采用超导式热开关的绝热去磁制冷机的原理图如图2所示。其采用两组超导磁体23和25，分别控制磁热模块26和热开关24的材料的励磁与去磁。当磁热模块26励磁时，控制超导热开关24的磁体同时励磁，热开关24 处于导通状态，热量由磁热模块26传递至热沉；当磁热模块26去磁时，控制热开关24的磁体同时去磁，热开关处于断开状态，阻止热量由热沉传至磁热模块26。
该方式的不足在于，采用了两套超导磁体，增加了系统的冗余程度，尤其对于极低温制冷在空间的应用，将大大增加运载负荷和成本。同时，由于漏磁，两组超导磁体可能会产生相互干扰。
实用新型内容
鉴于此，有必要提供一种结构紧凑且超导磁体不会产生干扰的绝热去磁制冷系统。
一种绝热去磁制冷系统，包括超导磁体和依次连接的冷头、磁热模块、热开关和热沉；
所述磁热模块和所述热开关均设于所述超导磁体的内侧，所述磁热模块和所述热开关共用所述超导磁体；
所述热开关为超导式热开关或磁阻式热开关组件。
在一个实施例中，所述磁阻式热开关组件包括磁阻热开关和固有磁场；
所述冷头、所述磁热模块、所述磁阻热开关和所述热沉依次连接；
所述固有磁场设于所述超导磁体的内侧，所述磁阻热开关设于所述固有磁场的内侧。
在一个实施例中，所述磁热模块靠近所述冷头的一端至所述热开关靠近所述热沉的一端的距离为d，所述超导磁体的长度大于等于d。
在一个实施例中，所述磁热模块为由块状的磁性氧化物或粉末状的磁性氧化物压合而成的磁热模块。
在一个实施例中，所述磁热模块包括金属线骨架和附着于所述金属线骨架上的顺磁盐晶体。
在一个实施例中，所述超导磁体为环状结构。
上述绝热去磁制冷系统，将热开关内置于磁热模块的超导磁体中，磁热模块和热开关共用超导磁体，热开关跟随磁热模块的磁热材料的励磁与去磁过程被动地在正常态和超导态下切换，从而实现热开关的自动导通和断开。此外，磁热模块和热开关共用超导磁体，有效减少了所需超导磁体的数量，降低了系统冗余程度，减小了系统质量，紧凑程度更高。同时，磁热模块和热开关共用超导磁体，不会因为磁热模块和热开关分别使用不同的超导磁体而产生相互磁场干扰。同时，热开关可跟随磁热模块的磁场变化自动切换状态，不需额外的控制系统，更便捷可靠。
附图说明
图1为绝热去磁系统中热开关的工作过程；
图2为传统的采用超导式热开关的绝热去磁制冷机原理；
图3为一实施方式的绝热去磁制冷系统的剖面结构示意图；
图4为另一实施方式的绝热去磁制冷系统的剖面结构示意图；
图5为图3所示的绝热去磁制冷系统的立体结构示意图。
具体实施方式
为了使本实用新型的目的、技术方案及优点更加清晰，以下结合附图及实施例，对本实用新型进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本实用新型，并不用于限定本实用新型。本实用新型中所说的固定连接，包括直接固定连接和间接固定。
绝热去磁制冷机(ADR)是利用磁性材料的磁热效应实现制冷，常用于获取 1K以下温度。磁热效应，是指磁性材料在磁场增强或减弱时，由于磁矩的有序度(即熵发生变化从而表现出的一种放热或吸热现象)。磁制冷是利用磁性材料所具有的磁热效应来实现制冷的，通过磁性材料磁矩的有序度在外磁场中发生变化(沿着磁场方向取向)而引起熵变来达到制冷的目的。
如图3和图5所示，一实施方式的绝热去磁制冷系统，包括超导磁体35 和依次连接的冷头38、磁热模块36、热开关34和热沉32。
磁热模块36和热开关34均设于超导磁体35的内侧，磁热模块36和热开关34共用超导磁体35。
热开关34为超导式热开关或磁阻式热开关组件。
在如图3所示的实施例中，热开关34为超导式热开关。图3所示的绝热去磁制冷系统，将超导式热开关内置于磁热模块36的超导磁体35中，磁热模块36和超导式热开关共用超导磁体35，超导式热开关跟随磁热模块36的磁热材料的励磁与去磁过程被动地在正常态和超导态下切换，从而实现热开关的自动导通和断开。此外，磁热模块36和超导式热开关共用超导磁体35，有效减少了所需超导磁体的数量，降低了系统冗余程度，减小了系统质量，紧凑程度更高。此外，磁热模块36和超导式热开关共用超导磁体35，不会因为磁热模块36和超导式热开关分别使用不同的超导磁体35而产生相互磁场干扰。同时，超导式热开关可跟随磁热模块36的磁场变化自动切换状态，不需额外的控制系统，更便捷可靠。
在如图4所示的实施例中，热开关为磁阻式热开关组件。进一步的，在一个实施例中，磁阻式热开关组件包括磁阻热开关44和固有磁场43。冷头48、磁热模块46、磁阻热开关44和热沉42依次连接。固有磁场43设于超导磁体 45的内侧，磁阻热开关44设于固有磁场43的内侧。
磁阻热开关44和超导式热开关原理相似。区别在于磁阻热开关44在施加磁场时处于低热导率的断开状态，在无磁场时处于高热导率的导通状态。因此在磁阻热开关44内置时，需施加与超导磁体45的超导磁场反向的固有磁场43，当超导磁体45励磁时，与固有磁场抵消，磁阻热开关44处于导通状态。当超导磁体45去磁时，在固有磁场43作用下，磁阻热开关44处于断开状态，匹配磁热模块46的绝热过程。
图4所示的绝热去磁制冷系统，将磁阻式热开关组件内置于磁热模块46 的超导磁体45中，磁热模块46和磁阻热开关44共用超导磁体45，磁阻热开关44跟随磁热模块46的磁热材料的励磁与去磁过程被动地在正常态和超导态下切换，从而实现热开关的自动导通和断开。此外，磁热模块46和磁阻热开关44共用超导磁体45，有效减少了所需超导磁体的数量，降低了系统冗余程度，减小了系统质量，紧凑程度更高。此外，磁热模块46和磁阻热开关44共用超导磁体45，不会因为磁热模块46和磁阻式热开关分别使用不同的超导磁体45而产生相互磁场干扰。同时，磁阻热开关44可跟随磁热模块46的磁场变化自动切换状态，不需额外的控制系统，更便捷可靠。
图3和图4的绝热去磁制冷系统，超导式热开关或磁阻式热开关与磁热模块共用磁场，通过分别匹配热开关的导通或断开与磁热模块的励磁或去磁，实现热开关的自动切换。减少了所需超导磁场的数量，降低因为两个超导磁场产生磁干扰的情况，且降低了系统冗余程度，减小了系统质量，紧凑程度更高。此外，热开关可跟随磁热模块的磁场变化自动切换状态，不需额外的控制系统，更便捷可靠。
请参考图3，在一个实施例中，磁热模块36靠近冷头38的一端至热开关靠近热沉32的一端的距离为d，超导磁体35的长度大于等于d。因此，热开关和磁热模块36完全置于超导磁体35的磁场内，绝热去磁制冷系统可靠性更高。
请参考图3，在一个实施例中，磁热模块36为由块状的磁性氧化物或粉末状的磁性氧化物压合而成的磁热模块。
在另一个实施例中，磁热模块36包括金属线骨架和附着于金属线骨架上的顺磁盐晶体。金属线骨架用于强化传热。
请参考图3，在一个实施例中，超导磁体35为环状结构。
以上仅是本实用新型的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员，在不脱离本实用新型原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本实用新型的保护范围。
Claims (6)
1.一种绝热去磁制冷系统，其特征在于，包括超导磁体和依次连接的冷头、磁热模块、热开关和热沉；
所述磁热模块和所述热开关均设于所述超导磁体的内侧，所述磁热模块和所述热开关共用所述超导磁体；
所述热开关为超导式热开关或磁阻式热开关组件。
2.如权利要求1所述的绝热去磁制冷系统，其特征在于，所述磁阻式热开关组件包括磁阻热开关和固有磁场；
所述冷头、所述磁热模块、所述磁阻热开关和所述热沉依次连接；
所述固有磁场设于所述超导磁体的内侧，所述磁阻热开关设于所述固有磁场的内侧。
3.如权利要求1所述的绝热去磁制冷系统，其特征在于，所述磁热模块靠近所述冷头的一端至所述热开关靠近所述热沉的一端的距离为d，所述超导磁体的长度大于等于d。
4.如权利要求1所述的绝热去磁制冷系统，其特征在于，所述磁热模块为由块状的磁性氧化物或粉末状的磁性氧化物压合而成的磁热模块。
5.如权利要求1所述的绝热去磁制冷系统，其特征在于，所述磁热模块包括金属线骨架和附着于所述金属线骨架上的顺磁盐晶体。
6.如权利要求1所述的绝热去磁制冷系统，其特征在于，所述超导磁体为环状结构。
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|---|---|---|---|
| GR01 | Patent grant | ||
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