專(zhuān)利名稱(chēng)：低溫工作物品的冷卻裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種例如在100K以下溫度工作的多個(gè)物品的冷卻裝置。本發(fā)明特別涉及可以在分別進(jìn)行了微調(diào)整的溫度下冷卻多個(gè)電子器件和電子電路單元的冷卻裝置。
背景技術(shù)：
為了冷卻例如在100K以下溫度工作的超導(dǎo)體，使用脈沖管冷凍機(jī)或斯特林冷凍機(jī)等的冷凍機(jī)。例如，特開(kāi)2001-144635號(hào)公報(bào)公開(kāi)了使用脈沖管冷凍機(jī)來(lái)冷卻無(wú)線(xiàn)接收機(jī)的技術(shù)。該無(wú)線(xiàn)接收機(jī)包括接收頻帶濾波器和接收低噪聲放大器。另外，在該公報(bào)中，在冷凍機(jī)上固定有珀?duì)柼?，在珀?duì)柼瞎潭ㄓ薪邮疹l帶濾波器和接收低噪聲放大器，從而可以將無(wú)線(xiàn)接收機(jī)冷卻到比冷凍機(jī)所產(chǎn)生的低溫更低的低溫。由此，不必增強(qiáng)冷凍機(jī)的冷卻能力，即可消除無(wú)線(xiàn)接收機(jī)產(chǎn)生的熱量，使無(wú)線(xiàn)接收機(jī)在更低的溫度下工作。
最近，產(chǎn)生了這樣的要求將包括超導(dǎo)體的電路裝置的溫度降至低溫并且精確地控制該低溫。特別是在一個(gè)電路裝置內(nèi)包括多個(gè)電子器件或電子電路單元的情況下，要求在相互不同并且相互接近的溫度下冷卻這些電子器件或電子電路單元。
為了滿(mǎn)足這些要求，需要使用多檔冷凍機(jī)，或使用多個(gè)冷凍機(jī)。例如，在使用兩檔冷凍機(jī)時(shí)，在低溫箱等的真空空間中，將一檔冷卻端(冷卻頭)的溫度設(shè)為約20K，將二檔冷卻頭的溫度設(shè)為約70K，將第1被冷卻物品設(shè)置在一檔冷卻頭，將第2被冷卻物品設(shè)置在二檔冷卻頭。根據(jù)需要設(shè)置溫度傳感器和加熱器，將溫度傳感器和加熱器的布線(xiàn)引出到真空容器外部，并與配置于真空容器外部的控制裝置連接。這樣，把第1被冷卻物品和第2被冷卻物品分別控制到所期望的溫度。
在使用多個(gè)冷凍機(jī)時(shí)，將冷凍機(jī)的數(shù)量設(shè)置為與多個(gè)被冷卻物品的數(shù)量相同，并且利用各個(gè)冷凍機(jī)來(lái)冷卻多個(gè)被冷卻物品。在該情況下，與多檔式冷凍機(jī)相同，根據(jù)需要設(shè)置溫度傳感器和加熱器，利用控制裝置將多個(gè)被冷卻物品分別控制到所期望的溫度。
在這些方法中，為了將多個(gè)被冷卻物品冷凍為不同的溫度，使用結(jié)構(gòu)復(fù)雜的冷凍機(jī)或使用多個(gè)冷凍機(jī)，所以整體結(jié)構(gòu)變得復(fù)雜，或需要擴(kuò)大低溫箱的空間。并且，在需要把多個(gè)被冷卻物品放置在相接近的位置時(shí)，存在許多不便之處。另外，在需要的冷卻溫度差較小、約為5～30K時(shí)，必須使用結(jié)構(gòu)復(fù)雜的冷凍裝置，因此，被冷卻物品的布置受到約束。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于，提供一種低溫工作物品的冷卻裝置，能夠?qū)⒃诶?00K以下溫度工作的多個(gè)物品精確地冷卻為相互不同且相互接近的溫度。
本發(fā)明的低溫工作物品的冷卻裝置，包括冷凍機(jī)；設(shè)在該冷凍機(jī)上的冷卻頭；與該冷卻頭熱接觸并被固定在其上的第1珀?duì)柼?；與該冷卻頭熱接觸并被固定在其上的第2珀?duì)柼?，可以將?物品布置成與該第1珀?duì)柼峤佑|，可以將第2物品布置成與該第2珀?duì)柼峤佑|，將該第1物品和第2物品冷卻為不同的溫度。
根據(jù)該結(jié)構(gòu)，通過(guò)冷凍機(jī)使冷卻頭形成低溫，分別通過(guò)第1珀?duì)柼偷?珀?duì)柼?duì)第1物品和第2物品進(jìn)行溫度控制，以在不同溫度下對(duì)物品進(jìn)行冷卻。因此，能夠?qū)⒏哳l電路部件和快速數(shù)字電路部件等多個(gè)被冷卻物品精確地冷卻為相互不同且相互接近的溫度。


圖1是表示本發(fā)明的實(shí)施例的低溫工作物品的冷卻裝置的概要圖。
圖2是示出了包括圖1的冷卻頭部分的放大圖。
圖3是表示使用本發(fā)明的高頻接收信號(hào)數(shù)字轉(zhuǎn)換—解調(diào)裝置的示例圖。
圖4是表示圖3的高頻數(shù)字轉(zhuǎn)換裝置的結(jié)構(gòu)圖。
具體實(shí)施例方式
圖1是表示本發(fā)明的實(shí)施例的低溫工作物品的冷卻裝置的圖。冷卻裝置10包括構(gòu)成低溫箱的真空容器12和冷凍機(jī)14(由20、22、18、16等構(gòu)成)。冷凍機(jī)14例如由脈沖管冷凍機(jī)構(gòu)成。也可以使用除脈沖管冷凍機(jī)以外的其他冷凍機(jī)，例如斯特林冷凍機(jī)。冷凍機(jī)14包括壓縮機(jī)16、膨脹器18、和作為膨脹器18的一部分的柱狀支柱20。壓縮機(jī)16使充入膨脹器18內(nèi)部的氦氣等氣體振動(dòng)，通過(guò)柱狀支柱20中的氣體的膨脹壓縮作用來(lái)形成低溫。
在柱狀支柱20的前端設(shè)置有冷卻端(冷卻頭)22。第1珀?duì)柼?4與冷卻頭22熱接觸并被固定在其上，第2珀?duì)柼?6與冷卻頭22熱接觸并被固定在其上。將第1珀?duì)柼?4和第2珀?duì)柼?6布置在接近相同冷卻頭22的位置處。該示例的冷卻裝置10構(gòu)成為對(duì)兩個(gè)物品進(jìn)行冷卻，但是通過(guò)增加珀?duì)柼臄?shù)量，當(dāng)然可以冷卻兩個(gè)以上物品。
第1物品28與第1珀?duì)柼?4熱接觸并被固定在其上，第2物品30與第2珀?duì)柼?6熱接觸并被固定在其上。例如，第1物品28和第2物品30分別具有長(zhǎng)方體形狀的外觀(guān)，高度為1～5cm，寬度和深度分別約為2～10cm。第1珀?duì)柼?4和第2珀?duì)柼?6分別呈平板狀形狀，厚度為0.1～1cm，邊長(zhǎng)約為0.5～5cm。
將冷凍機(jī)14的柱狀支柱20、冷卻頭22、第1珀?duì)柼?4、第2珀?duì)柼?6、第1物品28和第2物品30收容在真空容器12的內(nèi)部。將控制裝置32布置在真空容器12的外部。根據(jù)未圖示的溫度傳感器的輸出利用控制裝置32控制冷凍機(jī)14、第1珀?duì)柼?4和第2珀?duì)柼?6。此時(shí)，通過(guò)冷凍機(jī)14使冷卻頭22形成低溫，再分別通過(guò)第1珀?duì)柼?4和第2珀?duì)柼?6對(duì)第1物品28和第2物品30進(jìn)行溫度控制，以將其冷卻為不同的溫度。由此，能夠?qū)⒏哳l電路部件和快速數(shù)字電路部件等多個(gè)被冷卻物品精確地冷卻為相互不同且相互接近的溫度。
圖3是表示使用本發(fā)明的高頻接收信號(hào)數(shù)字轉(zhuǎn)換—解調(diào)裝置的示例圖。在圖3中，高頻接收信號(hào)數(shù)字轉(zhuǎn)換—解調(diào)裝置包括輸入所接收的RF信號(hào)的RF信號(hào)數(shù)字轉(zhuǎn)換裝置34；與RF信號(hào)數(shù)字轉(zhuǎn)換裝置34相連的解調(diào)電路36。圖4是表示圖3的RF信號(hào)數(shù)字轉(zhuǎn)換裝置34的圖。在圖4中，RF信號(hào)數(shù)字轉(zhuǎn)換裝置34包括低噪聲高頻放大器(LNA)38和超導(dǎo)ADC40。超導(dǎo)ADC 40是使用高溫超導(dǎo)SFQ電路的ADC(模擬—數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)換器)，LNA 38具有低溫下噪聲變小的特性。超導(dǎo)ADC 40相當(dāng)于圖1的第1物品28，LNA 38相當(dāng)于圖1的第2物品30。另外，本發(fā)明不僅適用于高頻接收裝置，也適用于使用其他超導(dǎo)體的裝置、使用半導(dǎo)體的高頻電路或快速數(shù)字電路。
圖2是fi bm b包括圖1的冷卻頭部分的放大圖。將支撐板(金屬塊)42隔著厚度為0.1～0.2mm的銦片(In片)44固定在冷卻頭22上。在支撐板42內(nèi)部嵌有加熱器46和溫度傳感器48。加熱器46與導(dǎo)線(xiàn)46a連接，溫度傳感器48與導(dǎo)線(xiàn)48a連接。在保持良好氣密性的情況下將導(dǎo)線(xiàn)46a、48a從真空容器12(圖1)內(nèi)部引出到真空容器12外部，并連接到控制裝置32。
通過(guò)冷凍機(jī)14對(duì)支撐板42進(jìn)行冷卻，以使其溫度大致到達(dá)設(shè)定值附近。利用溫度傳感器48檢測(cè)支撐板42的溫度，并利用加熱器46將溫度調(diào)節(jié)成設(shè)定值。銦片44在低溫下具有可塑性，象在常溫下使用的熱脂那樣，其提高了冷卻頭22和支撐板42的熱接觸。也可以使用石墨片等具有相同作用的片來(lái)代替銦片44。并且，雖然圖2中未示出，也可以在其他部件之間的接合部使用與銦片44相同的片。
將第1珀?duì)柼?4和第2珀?duì)柼?6固定于支撐板42，以隔著支撐板42與冷卻頭22熱接觸。第1珀?duì)柼?4與兩根導(dǎo)線(xiàn)24a連接，第2珀?duì)柼?6與兩根導(dǎo)線(xiàn)26a連接。第1和第2珀?duì)柼?4、26具有PN結(jié)。當(dāng)電流分別流過(guò)第1和第2珀?duì)柼?4、26時(shí)，一個(gè)表面成為吸熱面(低溫面)，另一個(gè)表面成為發(fā)熱面(高溫側(cè))。優(yōu)選地，將第1珀?duì)柼?4和第2珀?duì)柼?6的各自的吸熱面固定在支撐板42上，因此，將吸熱面設(shè)置為與冷卻頭22熱接觸。在該情況下，第1物品28和第2物品30的溫度高于支撐板42的溫度。
將第1金屬塊50設(shè)置在第1珀?duì)柼?4的位于冷卻頭22的相反一側(cè)的表面上(發(fā)熱面)，并且隔著第1金屬塊50將第1物品28安裝在第1珀?duì)柼?4上。將第2金屬塊52設(shè)置在第2珀?duì)柼?6的位于冷卻頭22的相反一側(cè)的表面上(發(fā)熱面)，并且隔著第2金屬塊52將第2物品30安裝在第2珀?duì)柼?6上。第1金屬塊50和第2金屬塊52分別用作為第1物品28和第2物品30的支撐臺(tái)。
為了把第1物品28固定在支撐板42上，在支撐板42與第1金屬塊50之間，與第1珀?duì)柼?4平行地設(shè)置筒狀墊塊54。在該實(shí)施例中，在第1珀?duì)柼?4周?chē)O(shè)置有4個(gè)墊塊54?？梢栽诘?珀?duì)柼?6周?chē)O(shè)置與墊塊54相同的墊塊。在該實(shí)施例中，因?yàn)榈?物品28比較重，所以將墊塊設(shè)置在第1珀?duì)柼?4的周?chē)?，使得?珀?duì)柼?4不會(huì)承受過(guò)度的負(fù)載。
在第1金屬塊50內(nèi)部嵌有加熱器56和溫度傳感器58。加熱器56與導(dǎo)線(xiàn)56a連接，溫度傳感器58與導(dǎo)線(xiàn)58a連接。同樣，在第2金屬塊52內(nèi)部嵌有加熱器60和溫度傳感器62。加熱器60與導(dǎo)線(xiàn)60a連接，溫度傳感器62與導(dǎo)線(xiàn)62a連接。在保持良好氣密性的情況下將導(dǎo)線(xiàn)24a、26a、56a、58a、60a、62a從真空容器12(圖1)內(nèi)部引出到真空容器12的外部，并連接到控制裝置32。加熱器46、56、60呈桶狀，各加熱器具有兩根導(dǎo)線(xiàn)。
溫度傳感器58對(duì)與第1珀?duì)柼?4熱接觸的第1物品28的溫度進(jìn)行檢測(cè)，溫度傳感器62對(duì)與第2珀?duì)柼?6熱接觸的第2物品30的溫度進(jìn)行檢測(cè)。針對(duì)支撐板42的溫度，借助第1珀?duì)柼?4和第2珀?duì)柼?6的作用來(lái)調(diào)節(jié)第1物品28和第2物品30的溫度。因?yàn)閷⒌?珀?duì)柼?4和第2珀?duì)柼?6的吸熱面固定在支撐板42上，所以第1物品28和第2物品30的溫度高于支撐板42的溫度。并且，根據(jù)需要，使用加熱器56、60將第1物品28和第2物品30的溫度更精確地調(diào)節(jié)為設(shè)定值。
在本發(fā)明中，因?yàn)榈?物品28和第2物品30分別通過(guò)第1珀?duì)柼?4和第2珀?duì)柼?6與支撐板42熱接觸，所以能夠?qū)⒌?物品28的溫度和第2物品30的溫度精確地冷卻為相互不同且相互接近的溫度。例如，可以將支撐板42的溫度控制為70K，將第1物品28的溫度控制為75K，將第2物品30的溫度控制為72K。而且，可以使用傳統(tǒng)的單一冷凍機(jī)14。
利用銅(無(wú)氧銅)和鋁等導(dǎo)熱性良好的金屬制成冷卻頭22、支撐板42、第1金屬塊50、和第2金屬塊52。例如利用螺釘進(jìn)行各部件之間的安裝。
另一方面，墊塊54是利用低導(dǎo)熱性的材料制成的。優(yōu)選地，只通過(guò)第1珀?duì)柼?4使熱量從支撐板42傳遞到第1金屬塊50，即，不通過(guò)墊塊傳遞熱量。優(yōu)選地，利用在100K以下3K以上的工作溫度范圍內(nèi)的導(dǎo)熱率為1W/(cm·K)的材料形成墊塊54。例如，利用從不銹鋼、殷鋼(invar)、科瓦鐵鎳鈷合金(kovar)、黃銅、Ti-V合金、銅-Ni合金、PI、芳香族聚酰胺樹(shù)脂(aramid resin)、PMMA、PTFE、聚碳酸酯(polycarbonate)、玻璃環(huán)氧樹(shù)脂、玻璃PTFE樹(shù)脂的組中選出的至少一個(gè)，或者它們的復(fù)合材料來(lái)形成墊塊54。
總之，本發(fā)明使多個(gè)珀?duì)柼?4、26的吸熱面與通過(guò)冷凍機(jī)14或制冷劑冷卻的冷卻端熱接觸，使多個(gè)被冷卻物28、30與這些珀?duì)柼?4、26的發(fā)熱面熱接觸，利用設(shè)置在這些被冷卻物28、30的附近并與其熱接觸的溫度傳感器58、62來(lái)檢測(cè)各個(gè)物品的溫度，利用控制裝置32驅(qū)動(dòng)各個(gè)珀?duì)柼?4、26，從而將各個(gè)被冷卻物28、30調(diào)節(jié)到預(yù)定的溫度。
可以通過(guò)對(duì)由冷凍機(jī)14或制冷劑冷卻的冷卻端進(jìn)行溫度控制來(lái)確定被冷卻物28、30的基礎(chǔ)溫度，并且在電流不流過(guò)珀?duì)柼?4、26時(shí)，由從絕熱真空容器12外部侵入的熱量和由被冷卻物28、30產(chǎn)生的熱量，以及被冷卻物28、30與冷卻端之間的熱阻來(lái)控制，但是將春抑制為略高于冷卻端的溫度(0～10K范圍的溫度差)。
在不驅(qū)動(dòng)各個(gè)珀?duì)柼?4、26時(shí)，真空容器12與其外部的絕熱性能越高，以及被冷卻物28、30的發(fā)熱越小，則越能夠抑制各個(gè)被冷卻物28、30與冷卻端之間的溫度差。以該溫度狀態(tài)為基礎(chǔ)，在被冷卻物28、30的溫度低于預(yù)定溫度時(shí)，驅(qū)動(dòng)珀?duì)柼?4、26進(jìn)行工作以加熱被冷卻物側(cè)。
將控制裝置32設(shè)置在真空容器12的外部，例如可以以0.01K的分解能(resolution)執(zhí)行溫度控制。在可以電變化冷凍機(jī)的輸出時(shí)，不一定需要對(duì)加熱器46進(jìn)行溫度控制。根據(jù)該實(shí)施例，在使第1物品28和第2物品30相互接近的狀態(tài)下，在冷卻頭22的基礎(chǔ)溫度70K下，能夠以0.01K的控制分解能來(lái)穩(wěn)定地實(shí)現(xiàn)0～5K范圍的溫度差。在第1物品28和第2物品30中分別內(nèi)置有諧振頻率依賴(lài)于溫度的諧振器時(shí)，在各個(gè)物品28和30中，可以相互獨(dú)立地改變頻率。由于可以相互接近地布置第1物品28和第2物品30，所以能夠降低傳遞損耗。并且，因?yàn)殓隊(duì)柼?4、26的吸熱面熱接觸冷凍機(jī)側(cè)的冷卻端，所以即使通過(guò)第1和第2珀?duì)柼?4、26加熱被冷卻物28、30時(shí)，也能夠抑制冷凍機(jī)14的負(fù)載的增加。例如，當(dāng)珀?duì)柼?4、26的吸熱面熱接觸冷凍機(jī)側(cè)的冷卻端時(shí)，支撐板42從珀?duì)柼?4、26接受熱量。
并且，通過(guò)真空容器21外部的控制裝置32進(jìn)行各個(gè)溫度傳感器48、58、62的計(jì)測(cè)，根據(jù)這些結(jié)果驅(qū)動(dòng)第1和第2珀?duì)柼?4、26以達(dá)到各自需要的溫度控制值。在第1物品28和第2物品30的溫度低于設(shè)定溫度時(shí)，驅(qū)動(dòng)第1和第2珀?duì)柼?4、26進(jìn)行工作以加熱第1物品28和第2物品30。并且，采用PID控制方式對(duì)第1和第2珀?duì)柼?4、26、加熱器46、56、60、和冷凍機(jī)14進(jìn)行溫度控制，并且在各個(gè)控制裝置的輸出端中分別設(shè)置限制器，使得不會(huì)進(jìn)行過(guò)驅(qū)動(dòng)。
如上所述，根據(jù)本發(fā)明，可以實(shí)現(xiàn)在100K以下的溫度下工作的多個(gè)工作器件和電子電路單元等中，在使這些器件和單元等的冷卻溫度相接近的狀態(tài)下，將溫度差控制為0～30K左右、特別是控制在0～5K左右范圍的冷卻裝置。
權(quán)利要求
1.一種用于低溫工作物品的冷卻裝置，包括冷凍機(jī)；設(shè)在該冷凍機(jī)上的冷卻頭；與該冷卻頭熱接觸并被固定在其上的第1珀?duì)柼?；與該冷卻頭熱接觸并被固定在其上的第2珀?duì)柼?，其中，將?物品布置成與該第1珀?duì)柼峤佑|，將第2物品布置成與該第2珀?duì)柼峤佑|，并且在不同溫度下對(duì)該第1物品和第2物品進(jìn)行冷卻。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的冷卻裝置，其特征在于，所述第1珀?duì)柼退龅?珀?duì)柼徊贾贸墒垢髯缘奈鼰崦娉蛩隼鋮s頭。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的冷卻裝置，其特征在于，還包括用于檢測(cè)與該第1珀?duì)柼峤佑|的第1物品的溫度的傳感器；用于檢測(cè)與該第2珀?duì)柼峤佑|的第2物品的溫度的傳感器。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的冷卻裝置，其特征在于，在所述第1珀?duì)柼奈挥谒隼鋮s頭的相反一側(cè)的表面上設(shè)置有第1金屬塊，并且隔著該第1金屬塊將第1物品安裝在所述第1珀?duì)柼?，在所述?珀?duì)柼奈挥谒隼鋮s頭的相反一側(cè)的表面上設(shè)置有第2金屬塊，并且隔著該第2金屬塊將第2物品安裝在所述第2珀?duì)柼?，所述傳感器被分別配置在所述第1金屬塊和第2金屬塊上。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的冷卻裝置，其特征在于，在所述第1金屬塊和第2金屬塊上分別設(shè)置有加熱器。
6.根據(jù)權(quán)利要求4所述的冷卻裝置，其特征在于，在所述冷卻頭與所述第1金屬塊和第2金屬塊的至少一個(gè)之間、至少與所述第1珀?duì)柼偷?珀?duì)柼械南鄬?duì)應(yīng)的一個(gè)相平行地設(shè)置有導(dǎo)熱性低的構(gòu)件。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的冷卻裝置，其特征在于，在所述冷卻頭與所述第1珀?duì)柼偷?珀?duì)柼g設(shè)置有第3金屬塊，并且在所述冷卻頭與該第3金屬塊之間設(shè)置有具有低溫可塑性的材料片。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的冷卻裝置，其特征在于，在第3金屬塊上設(shè)置有加熱器。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的冷卻裝置，其特征在于，還包括用于收容所述冷卻頭和所述第1珀?duì)柼暗?珀?duì)柼恼婵杖萜?；布置在該真空容器外部的控制裝置，其中，在保持良好氣密性的情況下將所述第1珀?duì)柼偷?珀?duì)柼牟季€(xiàn)從所述真空容器的內(nèi)部引出到所述真空容器的外部，并連接到所述控制裝置。
10.根據(jù)權(quán)利要求1所述的冷卻裝置，其特征在于，所述第1珀?duì)柼偷?珀?duì)柼哂蠵N結(jié)。
11.根據(jù)權(quán)利要求1所述的冷卻裝置，其特征在于，所述第1物品和第2物品包括超導(dǎo)體。
12.根據(jù)權(quán)利要求1所述的冷卻裝置，其特征在于，所述第1物品和第2物品包括高頻電路或快速數(shù)字電路。
全文摘要
本發(fā)明提供一種低溫工作物品的冷卻裝置，具有冷凍機(jī)和設(shè)在該冷凍機(jī)上的冷卻頭。第1珀?duì)柼c該冷卻頭熱接觸并被固定在其上，第2珀?duì)柼c該冷卻頭熱接觸并被固定在其上?？梢詫⒌?物品布置成與該第1珀?duì)柼峤佑|，可以將第2物品布置成與該第2珀?duì)柼峤佑|。通過(guò)冷凍機(jī)使冷卻頭形成低溫，再分別通過(guò)第1珀?duì)柼偷?珀?duì)柼?duì)第1物品和第2物品進(jìn)行溫度控制，以將其冷卻為不同的溫度。
文檔編號(hào)F25B9/14GK1701205SQ0382528
公開(kāi)日2005年11月23日 申請(qǐng)日期2003年3月28日 優(yōu)先權(quán)日2003年3月28日
發(fā)明者山中一典, 中西輝 申請(qǐng)人:富士通株式會(huì)社