本發(fā)明涉及用于固態(tài)制冷系統(tǒng)的產(chǎn)品、方法和裝置，例如采用磁熱或電熱效應(yīng)的用于固態(tài)制冷系統(tǒng)的產(chǎn)品、方法和裝置。

背景技術(shù)：

通常，低溫絕熱退磁制冷器(ADR)是用于實現(xiàn)非常低的溫度的，例如在使用液氦或無液體冷凍劑的冷卻技術(shù)進行的初始冷卻到1K至4K之后，低于1K，甚至可能低于1mK。一般而言，采用磁熱材料，通常是在施加磁場的情況下具有高磁化率和大熵變的順磁材料。在磁熱材料被保持在恒定溫度的同時施加場，然后絕熱地移除場，可使得磁矩隨機化，導(dǎo)致溫度降低。磁熱材料通常是順磁鹽，例如CMN(硝酸鈰鎂)。

原則上，固態(tài)制冷器可以基于電熱材料或熱電材料而不基于磁熱材料。電熱制冷法具有相似的基本冷卻原理，其涉及電自由度(而不是磁自由度)和內(nèi)部電極化的定向。然而，盡管堿金屬鹵化物(如摻雜有可極化雜質(zhì)如Li⁺，OH^-和CN^-的KCl)顯示了可能性，但是目前用于可操作的裝置的合適的電熱材料開發(fā)得不太好。

基于ADR的技術(shù)尤其被用于太空應(yīng)用(例如J-M Duval等，“A miniature continuous adiabatic de-magnetisation refrigerator with compact shielded super conducting magnets”，in Millimetre and Sub-Millimetre detectors for Astronomy II，Ed J Zmuidzinas等，SPIE Vol 5498pp 802-811)；其它的現(xiàn)有背景技術(shù)可以在Paul A Bromiley，PhD thesis，University of London 1999，“Development of an adiabatic de-magnetisation refrigerator for use in space”中找到。

通常，磁熱材料設(shè)置在冷卻“片”內(nèi)，該冷卻“片”通常是金屬圓柱體，材料晶體在該金屬圓柱體內(nèi)生長。該圓柱體可以被密封以抑制鹽的脫水。在Duval等的冷卻片中，鹽在黃銅罐中生長，該黃銅罐包含被釬焊(braised)到熱總線上的銅線；在Bromiley的論文中，采用了由連接到中心柱的一組散熱片組成的熱總線。然而，這些設(shè)計具有明顯的缺點。例如，Bromiley的方法需要由固體開始加工部件，這是非常昂貴的。在兩種設(shè)計中，鹽晶體的生長可能需要幾天至幾周。此外，短的冷卻片壽命和相對差的導(dǎo)熱性也是問題。

ADR中的熱開關(guān)也可以是設(shè)計困難之一。US2003/0041600描述了機電熱開關(guān)，但在實踐中使用這樣的開關(guān)是復(fù)雜、昂貴和麻煩的。

其它困難包括密封冷卻片以抑制脫水，特別是在真空中和在大的溫度變化下。這是有問題的，因為環(huán)氧樹脂密封件在重復(fù)熱循環(huán)之下容易破裂，而焊接密封件是昂貴的并且難以在不降低制冷劑性能的情況下(通過過度加熱)制造。

因此，需要改進絕熱固態(tài)磁熱和電熱制冷器的設(shè)計。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

根據(jù)本發(fā)明的第一方面，提供了一種用于固態(tài)磁熱或電熱制冷器的制冷片，制冷片具有縱向軸線和橫向軸線，所述制冷片包括殼體，殼體包含：內(nèi)部安裝結(jié)構(gòu)，內(nèi)部安裝結(jié)構(gòu)沿著所述縱向軸線被分為第一安裝部分和第二安裝部分；其中每個所述安裝部分包括由相應(yīng)的所述安裝部分限定的導(dǎo)熱金屬骨架；并且其中在所述殼體內(nèi)的所述骨架的元件之間的區(qū)域包括磁熱材料或電熱材料。

該結(jié)構(gòu)的一些實施例使得生長自溶液的材料結(jié)晶的速度能夠比常規(guī)方法快近一個數(shù)量級。

在一些實施例中，制冷片包括沿圓柱體長度分開的兩個半圓柱體，因此可以對兩個半圓柱體同時進行結(jié)晶，此外，晶體沿著垂直于圓柱體軸線的方向(短方向)而不是沿著圓柱軸線方向(長方向)生長。沿著短方向的結(jié)晶時間可以比沿著長方向的生長快近一個數(shù)量級。另外，該結(jié)構(gòu)有助于監(jiān)測晶體生長的進展，以確保晶體大體上在優(yōu)選方向上有系統(tǒng)地生長而沒有空隙。除此之外，對于一些材料，例如CMN(硝酸鈰鎂)，縱向分開的結(jié)構(gòu)能夠使晶體垂直于縱向軸線生長。這更好地對準制冷器內(nèi)的典型磁場方向(沿縱向軸線)。此外，在這種結(jié)構(gòu)中生長的晶體很好地結(jié)合到骨架(和殼體，若在殼體中生長)，而不需要其它技術(shù)所需使用的膠或類似物。

各種類型的金屬骨架可以被采用，并且在晶體(例如順磁鹽)生長期間；殼體的存在是可選的。外殼體可以是兩部分的并且存在在晶體生長期間，或者兩個安裝部分可以在晶體生長之后被組裝在單個外殼體內(nèi)(優(yōu)選為圓柱殼體)。

在一個實施例中，金屬骨架可以包括體積填充金屬網(wǎng)或者編織或螺旋布置的線，其在制冷片的任一端附接到熱觸點(例如通過焊接到螺紋)。在其它實施例中，骨架可以包括在端板之間縱向延伸的一組線，其每一個也都具有熱觸點。線可以是銅(優(yōu)選是鍍金的以抑制腐蝕)或固體銀的。

在一個特別優(yōu)選的實施例中，骨架包括一組橫向金屬散熱片，例如沿縱向軸線間隔開的半圓盤。在具有兩個殼體部分的實施例中，骨架可位于每個殼體部分內(nèi)，并且優(yōu)選地與每個殼體部分(例如每個半圓柱體)熱接觸。

除了促進制冷片內(nèi)的良好熱流動之外，這種布置還有助于加快晶體生長并減少腐蝕。在優(yōu)選實施例中，金屬散熱片包括銀散熱片。

在可選地與上述的骨架組合的另一實施例中，骨架包括在磁熱材料內(nèi)的金屬細絲或樹枝晶。在一些實施例中，通過提供例如在溶液上漂浮或滲透溶液的懸浮的銀粉(材料從所述溶液中結(jié)晶或以其它方式沉積)，隨著磁熱材料結(jié)晶時，這些細絲或樹枝晶在磁熱材料的晶體結(jié)構(gòu)內(nèi)生長。已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，這種結(jié)構(gòu)在改善導(dǎo)熱性方面特別有效，其提供一個或兩個數(shù)量級的導(dǎo)熱性的提高。在一些實施例中，為了良好的導(dǎo)熱性和耐腐蝕性，細絲或枝晶包含銀。但是，也可以使用其它金屬。

在使用電熱材料的情況下，金屬骨架可用于提供與制冷片內(nèi)的一個或多個電容的高效板/電極的連接。這里“板”以功能意義使用而不意味著任何特定的結(jié)構(gòu)構(gòu)造，但是盡管如此，包括一組金屬散熱片或半圓盤的骨架優(yōu)選具有電熱材料。因為這提供了可用于向材料施加電場的有效的多層電容類型的結(jié)構(gòu)。在這種布置中，散熱片/圓盤可以被支撐在平行于縱向軸線延伸的一個或多個桿上，并且每個交替的散熱片/圓盤彼此電隔離。方便地，一對桿可以用來提供交錯的到散熱片/板的電連接。在一些實施例中，特別是在電熱材料是相對非揮發(fā)性的情況下，塑料的殼體就可以滿足需要。

如前所述，在一些優(yōu)選實施例中，磁熱/電熱材料在每個安裝部分內(nèi)生長為晶體，其生長軸大體上垂直于縱向軸線。這可以通過將每個安裝部分擱置在晶體生長槽內(nèi)來實現(xiàn)，其中縱向軸線大體上水平，從而可選地在底部播種晶體生長。然后，液固界面從每個向上的安裝部分的底部向上生長。生長界面可以是垂直于晶體的一個軸。對于一些順磁鹽，場的方向相對于晶體生長的方向可能不太重要，但是對于其它材料，例如CMN(并且特別是用于實現(xiàn)特別低的溫度的那些材料)，優(yōu)選的是，用沿主要部件的縱向軸線的部件以與晶體生長方向成直角的角度施加場。然而，將材料生長為晶體不是生產(chǎn)制冷片的實施例所必需的。在其它方法中，磁熱或電熱材料可以被簡單地壓制。

在一些實施例中，兩個安裝部分可以被密封在外殼體(例如外圓柱體)內(nèi)，以保護制冷片免于損壞/脫水/分解。對于磁熱材料而言，殼體優(yōu)選地是金屬的。但是對于電熱材料而言，殼體優(yōu)選地是絕緣的，例如塑料。在一些實施例中，外殼體或圓柱體可以優(yōu)選地通過使用O形環(huán)(如銦O形環(huán))在制冷片的任一端被密封到凸緣。這避免了與現(xiàn)有技術(shù)的配置中發(fā)現(xiàn)的焊接接頭和環(huán)氧樹脂相關(guān)的問題。

在相關(guān)方面，本發(fā)明提供了用于固態(tài)磁熱或電熱制冷器的制冷片，特別是絕熱磁熱或電熱制冷器的制冷片，制冷片具有縱向軸線和橫向軸線，所述制冷片包括：縱向殼體和一對制冷片端部擋塊，一個端部擋塊朝向殼體的任一端；其中所述端部擋塊承載在它們之間縱向延伸的導(dǎo)熱金屬骨架；其中所述端部擋塊抵靠所述殼體的(周向)壁體被密封；并且其中在所述殼體內(nèi)的所述骨架的元件之間的區(qū)域包括磁熱或電熱材料。

本領(lǐng)域的技術(shù)人員將認識到，本發(fā)明的前述方面的特征也適用于此方面，反之亦然。

因此，在一些優(yōu)選實施例中，制冷片具有包括密封機構(gòu)的端部擋塊或端部帽。密封機構(gòu)可以包括縱向可移動的密封零件或板及機構(gòu)，例如螺紋和螺母，以迫使密封零件朝向端部擋塊。端部擋塊和密封零件限定了鄰近殼體的周向壁體內(nèi)表面的環(huán)形區(qū)域或凹槽。在該區(qū)域內(nèi)提供密封劑，例如負載銦或藍寶石的環(huán)氧樹脂。當密封零件被迫朝向端部擋塊時，密封劑被向外推動以形成抵靠殼體的周向壁體內(nèi)表面的密封。制冷片的安裝柱可以提供密封機構(gòu)的螺紋。

在一些實施例中，金屬骨架包括在端部擋塊之間縱向延伸的一組線或網(wǎng)。線或網(wǎng)可以由銅或鍍金銅制成。

本發(fā)明還提供了一種制造用于絕熱固態(tài)磁熱或電熱制冷器的制冷片的方法，該方法包括：提供沿所述制冷片的縱向軸線被分為兩部分的安裝結(jié)構(gòu)，所述安裝結(jié)構(gòu)具有金屬骨架；在每個所述安裝部分的骨架上生長磁熱或電熱材料的晶體結(jié)構(gòu)；以及組裝所述安裝部分以制造所述制冷片。

骨架可以是內(nèi)部骨架和/或外骨骼——例如安裝部分可以限定晶體材料在其中生長的槽。

本發(fā)明還提供了一種制造用于絕熱固態(tài)磁熱或電熱制冷器的制冷片的方法，該方法包括在所述金屬骨架周圍生長磁熱或電熱材料的晶體結(jié)構(gòu)；特別是其中所述生長是在所述殼體零件的所述縱向軸線大體水平的情況下進行的。

制冷片(特別是上述的制冷片)可以結(jié)合到低溫制冷器(如絕熱固態(tài)磁熱或電熱制冷器)中。在這種布置中，第一制冷階段優(yōu)選地是通過獨立的制冷階段(“低溫平臺”)冷卻的金屬板，該獨立的制冷階段采用液氦或無液體冷凍劑系統(tǒng)(例如脈沖管冷卻器或Gifford-McMahon冷卻器)。第二制冷階段包括制冷片，并且其經(jīng)由熱開關(guān)熱連接到第一階段，使得固態(tài)制冷片可以由第一階段冷卻，然后與第一階段熱解耦以用于下一階段的樣品冷卻。在一些優(yōu)選布置中(但不是必需地)，熱開關(guān)是機械熱開關(guān)。然而，在提供在低溫下可操作的機械熱開關(guān)方面存在困難，因為其需要適用在相對輕質(zhì)的結(jié)構(gòu)中同時仍具有低的導(dǎo)通電阻。

根據(jù)本發(fā)明的另一相關(guān)方面，提供了一種制冷系統(tǒng)，其包括：第一制冷階段，特別是液氦-4制冷器或無液體制冷劑制冷器(例如脈沖管制冷器或Gifford-McMahon制冷器)或與泵送液氦-4 1K冷卻系統(tǒng)或氦-3冷卻系統(tǒng)組合的無液體冷凍劑冷凍器；第二制冷階段，包括固態(tài)制冷器(SSR)和熱開關(guān)，特別是機械熱開關(guān)，所述SSR包括制冷片；所述熱開關(guān)熱耦合所述第一制冷階段和第二制冷階段并且被布置成選擇性地解耦所述熱耦合。在優(yōu)選實施例中，所述機械熱開關(guān)包括分別到所述第一制冷階段和第二制冷階段的第一金屬觸點和第二金屬觸點，以及致動器，該致動器可在第一耦合位置和第二解耦位置之間縱向移動，在所述第一耦合位置，所述熱開關(guān)提供所述觸點之間的熱路徑，在所述第二解耦位置，所述熱路徑被解耦；其中所述機械熱開關(guān)還包括一組的一個或多個可徑向移動的臂，以熱耦合和解耦所述金屬觸點，并且其中所述致動器的所述縱向移動提供凸輪作用以徑向移動所述一個或多個臂從而操作所述熱開關(guān)。

第一制冷階段優(yōu)選是液氦-4制冷器系統(tǒng)或無液體制冷劑制冷器系統(tǒng)(例如脈沖管制冷器或Gifford-McMahon制冷器)，或者是上述兩個系統(tǒng)中的任一個與泵送液氦-4冷卻系統(tǒng)組合，或者是可選地與泵送液氦-4冷卻系統(tǒng)或氦-3冷卻系統(tǒng)組合的無液體制冷劑制冷器系統(tǒng)。

在一些優(yōu)選實施例中，熱開關(guān)包括安裝在軸環(huán)或類似物上的冠狀開關(guān)部分，所述一組臂周向地設(shè)置在所述軸環(huán)或類似物周圍。位于臂內(nèi)部或外部的凸輪特征被縱向移動，以向外推動臂，或者在替代的布置中，向內(nèi)推動臂，以與其中一個金屬觸點進行熱接觸。在一些實施例中，致動器安裝在螺釘裝置上，使得螺釘?shù)男D(zhuǎn)縱向移動致動器。這種類型的布置可以在簡單的輕質(zhì)結(jié)構(gòu)的環(huán)境內(nèi)施加非常大的向外(或向內(nèi))徑向力，例如幾百磅的力。因此，這可以實現(xiàn)非常低的熱導(dǎo)通電阻并且在斷開時提供非常好的熱隔離。在一個實施例中，觸點中的一個或兩個包括鍍金金屬；在一個實施例中，臂的冠部位于杯內(nèi)，臂可徑向向外移動以接觸杯的內(nèi)表面，這形成用于開關(guān)的另一金屬(熱)觸點。

本發(fā)明還提供了一種用于制冷系統(tǒng)的可拆卸冷卻組件，其包括通過機械熱開關(guān)連接的如前所述的第一制冷階段和第二制冷階段，第二制冷階段包括樣品區(qū)域(可以放置待測裝置或材料的區(qū)域)。在一些實施例中，樣品區(qū)域鄰近熱開關(guān)，并且第二制冷階段的制冷片沿遠離熱開關(guān)的方向超出樣品區(qū)域，第一制冷階段被連接到熱開關(guān)。這提供了便于接近樣品空間并且具有室溫端和溫度低于1K的區(qū)域的組件，并且在一些實施例中，組件可以是獨立的并且可作為組合件從低溫平臺/制冷系統(tǒng)上拆卸下來(“樣品插入物”)。該布置還便于多階段冷卻，例如，第三制冷階段可以沿縱向軸線位于超過第二制冷階段處(遠離樣品區(qū)域)，通過另一熱開關(guān)連接到第二階段。本領(lǐng)域的技術(shù)人員將認識到，在這些布置中，熱開關(guān)可以是任何合適的類型，包括機械熱開關(guān)、超導(dǎo)熱開關(guān)、氣體熱開關(guān)或壓電熱開關(guān)。

在另一相關(guān)方面，本發(fā)明提供了一種用于在第一階段和第二階段之間切換熱耦合的機械熱開關(guān)，其中所述機械熱開關(guān)包括到所述第一階段和第二階段的第一金屬觸點和第二金屬觸點(在一些實施例中，第一熱源/散熱器和第二熱源/散熱器)以及致動器，其可在第一耦合位置和第二解耦位置之間縱向移動，在所述第一耦合位置，所述熱開關(guān)提供所述觸點之間的熱路徑，在所述第二解耦位置，所述熱路徑斷開；其中所述機械熱開關(guān)還包括一組的一個或多個臂，可徑向移動以熱耦合和解耦所述金屬觸點，并且其中所述致動器的所述縱向移動提供凸輪作用以徑向移動所述一個或多個臂以操作所述熱開關(guān)。

本發(fā)明還提供了一種超導(dǎo)熱開關(guān)，其包括通過由超導(dǎo)材料(如鉛或錫)制成的箔片連接的第一金屬熱觸點和第二金屬熱觸點。當箔片處于其正常的金屬狀態(tài)時，熱開關(guān)被閉合，可以通過施加足夠大的磁場來實現(xiàn)箔片正常的金屬狀態(tài)。當處于超導(dǎo)狀態(tài)時，熱開關(guān)打開。

優(yōu)選地，金屬熱觸點通過通常由塑料材料制成的絕熱殼體機械地支撐并且附接到彼此；優(yōu)選地，鉛或錫箔具有小于10ppm的雜質(zhì)水平。

本發(fā)明還提供了一種絕熱固態(tài)制冷系統(tǒng)，包括：兩個固態(tài)制冷階段和控制系統(tǒng)，每個階段熱耦合到相同的樣品室，每個階段包括絕熱固態(tài)制冷器(ASR)，所述ASR包括制冷片，每個階段具有相應(yīng)的可控磁/電場發(fā)生器；所述控制系統(tǒng)用于順序地控制所述磁/電場從每個所述制冷片上移除，以控制所述樣品室的冷卻。

在絕熱退磁制冷器中，控制系統(tǒng)可以控制制冷片的磁場/退磁的移除；在制冷片包含電熱材料的情況下，通過減小或移除通過制冷片的電壓來將電場從制冷片上移除。

這種系統(tǒng)可以串聯(lián)操作，以便于達到較低的基溫，或并聯(lián)操作，以提供大體上連續(xù)的冷卻，或者可以針對任一操作模式進行配置。在任一情況下，將固態(tài)制冷階段物理地與銅桿縱向串聯(lián)布置從而將每個制冷階段縱向地連接到樣品室實際上是方便的。

在串聯(lián)配置中，順序控制被配置為依次用固態(tài)制冷的第一階段和第二階段來冷卻樣品室。這可以擴展到進一步的制冷階段。固態(tài)制冷階段可以經(jīng)由一個或多個熱開關(guān)(例如前述機械或特別是前述的超導(dǎo)熱開關(guān)，或氣體或壓電熱開關(guān))串聯(lián)地?zé)狁詈稀?/p>

在并聯(lián)配置中，特別是對于連續(xù)樣品冷卻而言，固態(tài)制冷階段與每個所述樣品室經(jīng)由相應(yīng)的熱開關(guān)并聯(lián)熱耦合。該系統(tǒng)還包括第一制冷階段，例如由液氦-4制冷器或無液體無制冷劑制冷器(例如脈沖管制冷器或Gifford-McMahon制冷器)冷卻的金屬板，或由上述兩種制冷器中的任一種與泵送液氦-4 1K冷卻系統(tǒng)或氦-3冷卻系統(tǒng)的組合冷卻的金屬板。然后，每個固態(tài)制冷階段可以經(jīng)由另外相應(yīng)的熱開關(guān)熱耦合到第一制冷階段。之后，控制系統(tǒng)可以被配置成控制熱開關(guān)和磁/電場(如前所述)，使得所述固態(tài)制冷階段之一冷卻樣品室的同時另一個固態(tài)制冷階段(被電極化或磁極化并且)被第一制冷階段冷卻，反之亦然。因此，指定第一階段熱開關(guān)、第二階段熱開關(guān)為“輸入”熱開關(guān)并且指定到樣品室的熱開關(guān)為“輸出”熱開關(guān)，用于第一制冷片的輸入熱開關(guān)被打開時用于第一制冷片的輸出開關(guān)被關(guān)閉，并且同時用于第二制冷片的輸入熱開關(guān)被打開時用于第二制冷片的輸出開關(guān)被打開。在此間隔期間，場施加到第一制冷片上并從第二制冷片上移除。然后，熱開關(guān)的開/關(guān)配置被反轉(zhuǎn)，并且場被施加到第二制冷片上并從第一制冷片上移除。

在另一方面，本發(fā)明提供一種絕熱固態(tài)制冷系統(tǒng)，其包括兩個單獨的或連接的階段(第一低溫裝置冷卻階段和第二樣品冷卻階段)和包括絕熱固態(tài)制冷器(ASR)的低溫裝置以及將所述制冷片保持在電場或磁場中的系統(tǒng)；所述ASR包括制冷片，特別是如上所述的制冷片；其中所述第一低溫裝置冷卻階段包括用于冷卻所述低溫裝置的第一制冷階段；其中所述第二樣品冷卻階段包括所述低溫裝置，所述低溫裝置與用于冷卻樣品的樣品平臺熱耦合；其中當所述低溫裝置用于冷卻所述樣品時，所述電場或磁場可從所述制冷片上移除；并且其中所述低溫裝置穿過邊界熱耦合到所述樣品平臺，使得熱從所述樣品平臺徑向向外流動。

在一些實施例中，樣品可被夾持在可拆卸的真空管內(nèi)，該真空管限定熱量可徑向流動通過的邊界。在一些實施例中，用于第一冷卻階段和第二冷卻階段的殼體限定包含真空管以及第一冷卻階段和第二冷卻階段的第二真空空間。在一些實施例中，低溫裝置可以從樣品平臺縱向移位并且經(jīng)由導(dǎo)熱路徑耦合到樣品平臺。在一些實施例中，至少一個熱開關(guān)設(shè)置在低溫裝置和第一低溫裝置冷卻階段之間。

如果制冷片包含電熱材料或熱電材料的話，那么就會是特別方便的，因為在這種情況下可以簡單地根據(jù)需要保持/移除制冷片的電場。特別地，在利用螺線管在絕熱退磁系統(tǒng)中保持磁場的情況下，這限制沿螺線管的軸線方向物理接近冷卻區(qū)域，但是制冷系統(tǒng)可以配置有在低溫裝置(ASR)和樣品平臺邊界之間的熱路徑。相反，在電場用于促進制冷的情況下，其它方向(例如徑向方向)可用于將樣品室和低溫裝置彼此熱連接。

因此，在磁熱、電熱或熱電固態(tài)冷卻器中任一種的情況下，可以提供用于沿水平方向遠離樣品夾持器低溫插入件進行制冷的設(shè)施，其中熱接觸通過邊界進行。在一些實施例中，這導(dǎo)致兩個冷卻階段在平臺上進行，并且樣本夾持器僅簡單地滑入冷區(qū)域并且在需要時安裝在樣本平臺上。然后，可以使熱接觸從樣品平臺徑向地穿過包含樣品空間的真空管到達低溫平臺的基溫板。這種布置可以與多個低溫裝置(ASR)一起使用，所述多個低溫裝置(ASR)被連接以串聯(lián)、并聯(lián)或串并聯(lián)操作。因此，每個低溫裝置(ASR)可以具有輸入熱開關(guān)(將低溫裝置耦合到第一低溫裝置冷卻階段)和輸出熱開關(guān)(將低溫裝置耦合到樣品平臺)中的一個或兩個。

附圖說明

現(xiàn)通過示例的方式參考附圖來進一步說明本發(fā)明的這些和其它方面，其中：

圖1示出了根據(jù)本發(fā)明的第一實施例用于磁性制冷片的多板半圓柱體組件，該制冷片包括兩個聯(lián)結(jié)的半圓柱體(僅示出了其中一個)，每個半圓柱體包括一組沿著縱向軸線間隔開的半圓盤；

圖2示出了可選的多線半圓柱體組件；

圖3示出了晶體生長槽的示意圖，該晶體生長槽適用于在圖1和圖2所示的類型的制冷片的制造方法中；垂直方向限定了晶體生長的方向；磁場可以用部件來在縱向(水平)方向上施加；

圖4a和圖4b分別示出了密封在外圓柱體內(nèi)的完整構(gòu)造的固態(tài)制冷片和沿著圓柱體的軸線穿過端蓋的截面，其用于示出優(yōu)選的密封方法；

圖5示出了在圖4a所示的類型的制冷片內(nèi)的固態(tài)磁熱材料的微觀區(qū)域；

圖6a和圖6b示出了基于單個圓柱體的兩個替代的制冷片設(shè)計(a)和(b)的部件，其分別為結(jié)合了包括金屬絲網(wǎng)的金屬骨架的磁性制冷片和結(jié)合了包括一組縱向線的金屬骨架的磁性制冷片；

圖7示出了圖1所示的通用類型的制冷片的內(nèi)部骨架的區(qū)域，該類型的制冷片適于與電熱材料而不適于與磁熱材料一起使用，并且包括交替電絕緣的相鄰的半圓盤的布置；

圖8a和圖8b示出了根據(jù)本發(fā)明的實施例的用于固態(tài)絕熱制冷器的機械熱開關(guān)，在圖8a中示出了機械熱開關(guān)的橫截面，在圖8b中示出了開關(guān)機構(gòu)的零件的三維視圖；

圖9示出了超導(dǎo)熱開關(guān)的示意圖，其可用于本發(fā)明的實施例中；

圖10示出了絕熱固態(tài)制冷系統(tǒng)的樣品夾持部分的下部的示意圖，在所示示例中，該絕熱固態(tài)制冷系統(tǒng)包括用于串聯(lián)冷卻的兩個固態(tài)制冷階段；

圖11示出了絕熱固態(tài)制冷系統(tǒng)的示意圖，其包括用于并聯(lián)、連續(xù)冷卻的兩個固態(tài)制冷階段；以及

圖12示出了絕熱固態(tài)制冷系統(tǒng)的示意圖，其具有移動遠離樣品平臺的進行制冷的設(shè)施，其中熱接觸通過邊界進行。

具體實施方式

一般而言，在一些實施例中，制冷片的每個半骨架包括以下部件，其全部是鍍金的高純度OFHC銅：i)沿著半圓柱的長度延伸的矩形橫截面的中心支撐桿，ii)三個穿孔的半圓盤，在靠近桿的端部和中心的位置被釬焊到支撐桿上，iii)大約100x 0.4mm的線，其穿過并且釬焊到穿孔的半圓盤中的等間隔的孔上。由帶有螺紋接頭的凸緣構(gòu)成的端部件被釬焊到兩個骨架(由超長的支撐桿制成)中的一個的兩端上。

在更對稱的替代設(shè)計中，該兩個骨架是相同的，其中具有螺紋接頭的單個凸緣僅被釬焊到每個骨架的一端，以使得接頭與外部密封管的軸線同心。

在上述過程的替代方案中，矩形的中心支撐桿由兩個螺紋桿和第三個螺紋桿代替，其中該兩個螺紋桿穿過靠近半圓盤的兩個角的孔，該第三個螺紋桿與前面兩個螺紋桿等距離間隔并且穿過靠近半圓盤的邊緣的孔。該方案的優(yōu)點包括：i)提供半圓盤的精確對準；ii)允許使用螺母將板鎖定在適當位置以及在正確的高度上，從而避免釬焊的需要；iii)還允許通過使用上述的銅螺母連接到具有螺紋接頭的端部凸緣上，并且因此再次避免了釬焊的需要；以及iv)該過程可以容易地適應(yīng)，并且只需要小的變化(僅僅通過增加所使用的半圓盤的數(shù)量、消除線組件并且用絕緣陶瓷螺母和墊圈替換每隔一個的銅螺母)以使用電熱而不是磁熱效應(yīng)來制備多層電容制冷片(這是關(guān)注的焦點)。

兩個凸緣每個位于一端，用于安裝由玻璃纖維、不銹鋼、黃銅或磷青銅制成的外部薄壁體密封管。兩個螺紋端中的一個用于將制冷片連接到待冷卻的物體上，另一個用于包括多于一個冷卻階段的應(yīng)用中或者用于將制冷片連接到絕熱定心環(huán)上。在組裝后，對每個半骨架都整體進行鍍金。

半圓盤布置的一些優(yōu)點如下：i)提供半圓盤的精確對準；ii)允許使用螺母將板鎖定在適當?shù)奈恢煤驮谡_的高度上，從而避免釬焊或焊接的需要；iii)還允許通過使用上述的銅螺母連接到具有螺紋接頭的端部雙凸緣上，并且因此再次避免了對釬焊或焊接的需要；以及iv)該過程可以容易地適應(yīng)，并且只需要小的變化(僅用絕緣陶瓷螺母和墊圈替換每隔一個的銅螺母)以使用電熱而不是磁熱效應(yīng)制備制冷片。

兩個半骨架被放置在晶體生長槽中，并且晶體同時在兩個半骨架中從包含溶質(zhì)的溶液中生長出來。晶體隨著溶質(zhì)的濃度增加而生長，其中溶質(zhì)濃度的增加是通過溶劑(通常為水)的蒸發(fā)或通過溶液溫度的降低、或通過這兩種方法的組合來實現(xiàn)的。在新的過程中，晶體通?？梢栽谝惶熘型瓿缮L(如果使用目前的方法的話，需要數(shù)周)。以這種方式生長的晶體也沿著理想的結(jié)晶定向自然對準，以獲得最佳的磁致冷，這特別在特殊晶體(例如CMN)的情況下是必要的。

兩個半圓柱體的表面被調(diào)平以準備組裝成單個圓柱體，其中在單個圓柱體中，支撐桿在靠近端部處通過螺釘被夾緊在一起。與目前的做法相反，用于保護制冷片免于損壞和脫水的外圓柱體可以通過使用銦O形環(huán)而不是環(huán)氧樹脂或焊接接頭來密封。銦O型環(huán)提供良好的密封，廉價且易于使用，具有低除氣作用和蒸氣壓，可以重復(fù)地進行熱循環(huán)而不產(chǎn)生故障，消除由于過熱而損壞制冷劑的風(fēng)險(比照：在高溫下環(huán)氧樹脂的固化或焊接技術(shù)的使用)，并且允許制冷片的快速組裝和拆卸。后者允許非破壞性地接近制冷片的核心(結(jié)晶鹽和支撐骨架)，以允許組件的部件的循環(huán)使用。

現(xiàn)在參考圖1，其示出了用作制造固態(tài)制冷片的部件的兩個半圓柱骨架中的一個。圖1所示的零件包括板101和桿102。板和桿均由鍍金的高導(dǎo)性無氧銅或固體銀制成。金或銀用于避免固態(tài)制冷材料對熱傳輸路徑的腐蝕。桿可以被釬焊到板上或者可選地形成有螺紋以允許板在任何鍍金之前通過利用螺母被固定在桿上，在上述兩種情況中的任一種下，可實現(xiàn)機械穩(wěn)定性和優(yōu)良的熱接觸。板和桿形成熱路徑，該熱路徑可在整個半圓柱體內(nèi)有效地傳導(dǎo)熱量。

圖2示出了包括線102、支撐桿202、端板203和導(dǎo)向板204的替代半圓柱體設(shè)計。所有部件201,202,203和204都由鍍金的無氧高導(dǎo)性銅或固體銀制成。桿202被釬焊或用螺母連接到部件203和204上。線201被釬焊或焊接到部件203和204上。板、線和桿形成熱路徑，該熱路徑可在整個半圓柱體內(nèi)有效地傳導(dǎo)熱量。

圖3示出了在固態(tài)制冷晶體從液體溶液中生長時與圖1和圖2所示的組件一同使用的塑料晶體生長槽。在這種情況下，如圖1和圖2所示的半圓柱體組件被放置到晶體生長槽中，并且溶液(固態(tài)制冷化合物作為溶質(zhì))被注入到槽中。在該方案中，晶體能夠垂直于圓柱體的軸線生長，并且晶體生長得比在封閉管中沿著圓柱體軸線方向的晶體生長更快。在固態(tài)制冷材料不是從溶液中生長的情況下，粉末材料可以被壓制或膠合到如圖1所示的金屬板上。

一旦固態(tài)制冷材料已經(jīng)通過從液體溶液的晶體生長或通過壓制粉末而落到如圖1和圖2所示的骨架上，那么兩個半圓柱體就被放在一起，用螺紋端蓋附接并封裝進如圖4a所示的外圓柱體中。圖4a中標記為402的外圓柱體由薄壁體磷青銅、不銹鋼、黃銅或玻璃纖維制成。標記為401的螺紋端蓋由鍍金的高導(dǎo)性無氧銅制成。螺紋端蓋中的一個或兩個可用于將制冷片附接到待冷卻的物體上，或者用于將制冷片附接到其它零件上(如有必要)。圖4b示出了特定密封機構(gòu)，其用于確保制冷片的化學(xué)成分被氣密密封在制冷片內(nèi)部并用于在300K和低溫溫度之間的重復(fù)熱循環(huán)過程中保持完整性。桿406(與圖1和圖2中標記為102,202的桿相同)穿過端蓋401和密封板403上的間隙孔。螺母405被旋擰到每個螺桿上，并用于抵靠端蓋緊固密封板，擠壓銦絲404，使得銦絲404在壓縮下流入任何間隙中并抵靠外圓柱體402，從而形成真空緊密密封。標記為407的區(qū)域然后可以被填充有環(huán)氧樹脂以提供額外的密封和進一步的機械穩(wěn)定性。環(huán)氧樹脂被選擇為具有與用于制造端蓋的金屬匹配的熱膨脹。固態(tài)制冷材料被氣密密封在制冷片內(nèi)部，以避免在暴露于外部環(huán)境時可能引致的降解。該密封過程然后在制冷片的另一端重復(fù)進行。

圖5示出了如圖4a所示的制冷片內(nèi)部的固態(tài)磁熱材料的微觀區(qū)域。在晶體為從溶液生長的情況下，在晶體生長過程之前和/或期間，銀顆粒501與固態(tài)材料503混合。在粉末狀固態(tài)致冷材料的情況下，在壓制到如圖1部件101的那些板之前，銀顆粒與粉末混合。在上述兩種情況中的任一種下，銀顆粒形成類似樹枝晶的路徑并且輔助在完整的制冷片內(nèi)部的熱傳遞，從而更有效的冷卻待冷凍的物體。

圖6示出了基于單個圓柱體的兩種替代的制冷片設(shè)計(a)和(b)的部件。在圖6a中，銅網(wǎng)601被卷成螺旋形并且在每一端被焊接到螺紋端件602上。然后，優(yōu)選地，整個組件被鍍金。磁熱制冷材料從溶液中直接生長到金屬絲網(wǎng)上。然后，將端蓋603與外圓柱體一起裝配，以氣密密封制冷片的成分，進而得到如圖4a所示的成品制冷片。在圖6b中采用了類似的設(shè)計，但是使用了鍍金的高導(dǎo)性無氧銅線或?qū)嵭你y線604，其也被焊接到螺紋端件605上。然后，磁熱材料直接生長到線上并被氣密密封在外圓柱體內(nèi)，進而得到如圖4a所示的制冷片。

圖7示出了類似于圖1所示的制冷片的內(nèi)部骨架的區(qū)域，但適于與電熱材料而不適于與磁熱材料一起使用。螺桿701,702和703以及板704優(yōu)選地由鍍金的高導(dǎo)性無氧銅或固體銀制成。支撐桿703通過塑料間隔件與每個板電絕緣并且用螺母附接以將每個板固定在適當位置。用電線將外部電壓電源連接到桿上可以改變在桿701和702之間的電位差，其中電線在制冷片的端部附接到桿上。如圖所示，桿701和702通過使用塑料間隔件705與交錯布置中每隔一個的板電隔離并用螺母固定。在每隔一個板上，使用如圖所示的螺母，桿701和702被電連接和熱連接到板上。這允許在每隔一個板上的電壓相同，并且在每個板之間保持電位差。利用這種多層電容的幾何結(jié)構(gòu)，可以在板之間保持大的電場，并且一旦通過使用與前述磁熱制冷片相同的方法電熱材料已經(jīng)從溶液中生長到板上或者以粉末形式被壓制或粘合到板上，大的電場就可以用于促進電熱制冷。

圖8示出了機械熱開關(guān)。在圖8a中示出了機械熱開關(guān)的橫截面，并且在圖8b中示出了開關(guān)機構(gòu)的關(guān)鍵零件的三維視圖。使用包括零件803,804,805和806的機構(gòu)，兩個板801和802可以被熱連接或斷開。不論熱開關(guān)是打開還是關(guān)閉，低導(dǎo)熱桿807都用來支撐板。鍍金的高導(dǎo)性無氧銅杯803被熱錨定到下板802上。使用連接到螺紋機構(gòu)806的錐形不銹鋼桿805，鍍金的金屬彈簧指804可沿徑向(水平)方向延伸或縮回，其中螺紋機構(gòu)806用于手動地或利用電動機沿垂直方向升高和降低錐形桿。彈簧指804任何時候都被熱錨定到頂板801上。通過升高錐形桿，彈簧指徑向向外延伸并且可抵靠杯803被壓縮，從而熱連接板801和802。通過降低錐形桿，彈簧指徑向向內(nèi)縮回并且從杯803脫離，從而使板801和802熱斷開。

圖9示出了超導(dǎo)熱開關(guān)。通過在低于材料的超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度的任何溫度下使用超導(dǎo)材料904(例如高純度的鉛或錫)，由低導(dǎo)熱桿903支撐的兩個板901和902可以熱連接或斷開。條帶904的每一端被焊接到無氧高導(dǎo)性銅平臺905，該平臺905被熱錨定到板901和902上。當處于超導(dǎo)狀態(tài)時，條帶904具有非常低的導(dǎo)熱率，并因此板901和902大體上彼此熱斷開。通過施加足夠大的磁場，條帶904可以被轉(zhuǎn)變?yōu)槠湔?非超導(dǎo))的金屬狀態(tài)，其具有高導(dǎo)熱率，并因此將板901和902熱連接。

根據(jù)本發(fā)明的一個實施例的制冷片可以用于絕熱制冷系統(tǒng)中。

更具體地，圖10示出了具有用于串聯(lián)冷卻的兩個階段的示例性絕熱固態(tài)制冷系統(tǒng)，示出了用于在真空下使用固態(tài)制冷片將樣品冷卻至毫開氏(milli-Kelvin)溫度的低溫插入件的內(nèi)部真空室的下部的示意圖。實線表示熱導(dǎo)體，虛線表示熱絕緣體。通過使用包含相同或不同固態(tài)制冷材料并且以串聯(lián)構(gòu)造布置的兩個或更多個固態(tài)制冷片，與使用單個制冷片的情況相比，可以實現(xiàn)更低的總體基溫。使用串聯(lián)的兩個制冷片的示例，制冷過程可以如下進行。最初，如圖所示的兩個熱開關(guān)都閉合，并且兩個制冷片和樣品板都被冷卻到熱浴的溫度(通常通過在此不考慮的外部制冷裝置保持在恒定溫度的4K或1K板)。通過使用螺線管，兩個制冷片被磁化，并且系統(tǒng)的每個部分的溫度被允許平衡回到1K/4K板的溫度。然后打開熱開關(guān)1，并且通過足夠慢地向下掃過施加到制冷片1的磁場，使得制冷片1被絕熱地退磁。然后，制冷片1和2及樣品板到達第一冷卻階段溫度。此時，熱開關(guān)2打開，制冷片2被絕熱地退磁。結(jié)果，樣品板和任何附接的樣品從第一階段溫度被冷卻到第二階段溫度。使用該方法已經(jīng)可以實現(xiàn)1mK的溫度。在活性固態(tài)制冷材料是電熱材料而不是熱磁材料的情況下，使用制冷片內(nèi)部結(jié)構(gòu)的多層電容的幾何結(jié)構(gòu)來施加電場而不是施加磁場。

繼續(xù)參考圖10，本領(lǐng)域的技術(shù)人員將理解，在簡單的制冷系統(tǒng)中，僅需要使用單個固態(tài)制冷片。如果與下文參考圖12描述的系統(tǒng)一起使用，那么樣品夾持器和制冷片組合可以替代該圖(在以下說明)中所示的固態(tài)制冷裝置。在這樣的布置中，圖10的樣品夾持器可以被封閉在真空罐中，并且這進而可以被安裝在圖12的真空管內(nèi)。優(yōu)選地，部件被布置成使得夾持器的1K-4K板及圖12系統(tǒng)中所示的那些板在大體相同的水平上對準(或者如果不是的話，例如通過真空管壁體上的垂直金屬熱導(dǎo)體或?qū)щ娡繉訜徇B接)。通過這種布置，可以使得通過真空罐壁體具有足夠的橫向熱傳導(dǎo)以實現(xiàn)有效的冷卻。

圖11示出了用于在真空下使用固態(tài)制冷片將樣品冷卻至毫開氏溫度的低溫插入件的內(nèi)部真空室的下部的示意圖。實線表示熱導(dǎo)體，虛線表示熱絕緣體。通過采用以所示的并聯(lián)構(gòu)造布置的多于一個的固態(tài)制冷片，樣品可以被連續(xù)地冷卻。通過使用如圖所示兩個并聯(lián)的制冷片的示例，連續(xù)制冷循環(huán)可以如下進行。最初，所有熱開關(guān)都閉合，并且通常通過外部制冷裝置(本文不考慮)保持在恒定溫度的4K或1K板，兩個制冷片和樣品板被冷卻至熱浴的溫度。通過使用螺線管，兩個制冷片被磁化，并且系統(tǒng)的每個部分的溫度被允許平衡回到1K/4K板的溫度。然后，熱開關(guān)1a和2b打開并且熱開關(guān)1b關(guān)閉，制冷片1被絕熱地退磁，并且因此樣品板和任何附接的樣品由于磁熱效應(yīng)而被冷卻。接下來，打開熱開關(guān)1b，關(guān)閉熱開關(guān)1a，打開熱開關(guān)2a并關(guān)閉熱開關(guān)2b。然后，制冷片2被退磁，同時制冷片1在相同的時間段內(nèi)被磁化。一旦完成，所有熱開關(guān)的位置被反轉(zhuǎn)，然后使制冷片1退磁和使制冷片2磁化。該過程可以連續(xù)循環(huán)以連續(xù)冷卻樣品板和任何樣品，使其通常在毫開氏溫度范圍內(nèi)維持低于1K/4K板的溫度。在活性固態(tài)制冷材料是電熱材料而不是磁熱材料的情況下，使用制冷片內(nèi)部結(jié)構(gòu)的多層電容的幾何結(jié)構(gòu)來施加電場而不是磁場。

低溫平臺

在一些實施例中，低溫平臺用于產(chǎn)生樣品插入件和固態(tài)制冷裝置的初始冷卻。通常，初始冷卻是到1K至4K范圍內(nèi)的溫度，例如使用液體冷凍劑(如液氦-4)或無液體冷凍劑系統(tǒng)(如脈沖管冷卻器或Gifford-McMahon冷卻器)。如圖10和圖11所示的樣品插入件具有附接并密封在真空管內(nèi)的一個或多個制冷片，該樣品插入件可以被降低到低溫平臺中用于初始冷卻。然后，通過操作固態(tài)制冷裝置和熱開關(guān)來進行隨后至更低溫度的冷卻。在可替代的布置中，固態(tài)制冷階段可以結(jié)合到低溫平臺本身中，如圖12所示，其中樣品平臺與位于低溫平臺上的固態(tài)制冷器熱接觸。

圖12示出了簡化的低溫平臺的橫截面的示意圖。在一些實施例中，這樣的平臺允許被測試的樣品或裝置的溫度在室溫和低毫開氏溫度范圍之間連續(xù)變化。在特定實施例中，其它參數(shù)，例如樣本磁場、電場或壓力，可以和溫度一樣變化。低溫平臺包括金屬杜瓦瓶，其內(nèi)部被泵空并保持高真空。杜瓦瓶的內(nèi)部包含金屬安裝平臺、制冷板、熱輻射屏蔽、用于樣品存取的真空管、一個或多個固態(tài)制冷裝置(SSR)、一個或多個熱開關(guān)和樣品平臺。當運行時，低溫(1K-4K)板由內(nèi)置在低溫平臺(未示出)中的無液體冷凍劑系統(tǒng)(如脈沖管冷卻器或Gifford-McMahon冷卻器)冷卻。固態(tài)制冷裝置(SSR)可以由磁熱材料制成，在這種情況下，其可以包括如圖1至圖6中的任一圖所說明的制冷片，加上封裝螺線管，以將磁場施加到制冷片?；蛘?，它可以由熱電或電熱材料制成；在后一種情況下，它可以包括由參考圖7所描述的多層電容制成的制冷片。熱開關(guān)可以是機械的(如圖8所示)，超導(dǎo)的(如圖9所示)，壓電的，或是基于氦氣的。熱輻射屏蔽件優(yōu)選地被安裝以輔助熱隔離樣品空間和SSR。

在操作中，在熱開關(guān)被關(guān)閉的情況下，一個或多個固態(tài)制冷裝置以及基溫板和樣品平臺被冷卻到(1K-4K)板的溫度。安裝在的樣品夾持器(如圓盤(未示出))上的樣品可以被降低到低溫平臺的真空管中并使用可拆卸的插入桿附接到樣品平臺。然后，配有輻射擋板的插入件可以可選地被放置在真空管內(nèi)并在頂部凸緣上密封，以輔助防止樣品被熱輻射加熱。然后，一個或多個SSR裝置可以與熱開關(guān)一起操作，以將低于低溫(1K-4K)板溫度的樣品冷卻到通常在低毫開氏范圍內(nèi)的溫度。

在一個特別簡單的操作模式中，低溫平臺裝配有單個SSR，然后可以與安裝在SSR和低溫(1K-4K)板之間的單個熱開關(guān)一起使用。在這種情況下，使用磁熱SSR的示例，磁熱材料被磁化，SSR和樣品平臺被留下以平衡在低溫(1K-4K)板的溫度。然后，打開熱開關(guān)，并且SSR被絕熱地退磁，導(dǎo)致樣品板冷卻到低毫開氏范圍內(nèi)的溫度。

在一些更先進的實施例中，一個或多個SSR可以以串聯(lián)或并聯(lián)的模式使用，以分別允許更低的基溫或連續(xù)冷卻。圖12示出了取決于用戶需求可基于以串聯(lián)或并聯(lián)模式操作的兩個SSR的示例。

毫無疑問，本領(lǐng)域的技術(shù)人員將想到許多其它有效的替代方案。應(yīng)當理解，本發(fā)明不限于所描述的實施例。本發(fā)明包括在權(quán)利要求的精神和范圍內(nèi)、對本領(lǐng)域的技術(shù)人員顯而易見的修改。