专利名称：用于产生极低温度冷度的制冷机和方法
技术领域：
本发明涉及一种用于产生极低温度冷度的稀释制冷机和方法。本发明更具体地涉及一种用于获得极低温度的稀释制冷机，该稀释制冷机包括 混合室；第一供给管道，其具有连接到氦同位素3 (3He)的源的上游端和连接到混合室的下 游端；第二供给管道，其具有连接到氦同位素4(4He)的源的上游端和连接到混合室的下游 端；用于排放^fe-4He的混合物的排放管道，所述3He-4He的混合物在混合室内由分别从第 一和第二管道供给的3He和4He形成，该排放管道包括连接到混合室的上游端和连接到用于 回收该部分排放的混合物的收集空间的下游端，第一和第二管道的下游端以及排放管道的 上游端在一共同的接合处流体连通以形成混合室，氦Me-4He的混合物之间的相分离独立 于重力由管道中的3He和4He的流量以及管道的毛细作用力控制。
背景技术：
在用于获得极低温度的方法当中，最有利的方法之一涉及用同位素稀释普通 4He0在低于约0. 88K时，3He-4He的混合物可能呈现两相，即称为浓相的富含3He相和 称为稀相的富含4He相。当温度从0. 88K下降到OK时，浓相中的3He浓度从67%增大到约 100 %，而稀相中的3He浓度从67 %降低到约6.6%。常规的稀释致冷器通常包括一填充有两相液态氦的混合箱或混合室在上述热力 学条件下一相为稀相而一相为浓相。制冷原理大致如下在热力学隔离的混合箱内按比例 形成^fe-3He混合物，使得其中存在上述的两个相(稀相和浓相)。通过从稀相汲取3He,来 自浓相的3He将溶解在稀相中以便维持平衡浓度。该稀释过程引起制冷。为了使这种装置或低温箱连续工作，仅需将可能混合有一点4He的液态3He引入混 合箱以便对上述提取进行补偿。为了允许这些系统工作，需要局部化-浓相(主要含有^fe的液体)，-稀相(主要含有4He的液体)，以及-浓蒸气相(主要是3He)。各相的这种局部化通常在重力作用下实现(所述相由于它们不同的密度而分 离)。然而，当系统在失重状态下或在特定取向上使用时，这种方式的局部化是不可能的。FR 2 626 658描述了一种独立于重力或取向的稀释致冷器系统。在该系统中，使用了三个管道，也称为毛细管。所述三个毛细管在一端结合在一 起以形成接合位置(混合室)。其中两个毛细管分别用于注射纯3He和^e以产生饱和的 %e-4He混合物(浓相和稀相的混合物)。使用第三毛细管汲取氦混合物并将其回收或排放 到功能类似于“自由”泵的空间内。液态氦混合物之间的相分离仅由他和他的流量以及 毛细作用力控制，并且不再受重力控制。为了避开与重力相关的约束，制冷机不具备蒸馏器。可设置辅助蒸馏单元以在一专用操作期间分离可能已被回收(例如借助储罐)Whe-4He混合物的两种组分。然而，该系统的寿命受为了供给混合箱而提供的氦同位素的量的限制。此外，在其 用于宇宙飞船的情况下，汲取的氦混合物被损耗掉。本发明的一个目的是减轻现有技术的所有或一些上述缺点。
发明内容
为此，在按照在上述的前序中对根据本发明的制冷机所给出的一般性限定的其它 方面中，制冷机的主要特征在于包括形成混合物被回收于其中的收集空间的蒸馏室，该蒸 馏室保持3He和4He的混合物处于液_气平衡，该蒸馏室形成3He和4He的源；第一供给管 道，其包括用于选择性地将3He泵送到蒸馏室内以便向混合室连续地供给3He并处于第一闭 环中的泵送部件；第二供给管道，其包括用于选择性地将4He泵送到蒸馏室内以便向混合室 连续地供给4He并处于不同的第二闭环中的泵送部件。此外，本发明的一些实施例可包括一个或多个以下特征-蒸馏室包括用于对于气相而言封闭液相的部件；-用于选择性地泵送4He的泵送部件包括与由封闭部件封闭的液相流体连通的超 漏装置以及泵送部件，泵送部件的入口经由超漏装置连接到液相；-第一和第二管道以及排放管道被组装成在蒸馏室与混合箱之间进行热交换；-第一供给管道的泵送部件是用于泵送气态3He的泵，例如机械泵和/或一个或多 个称为吸附泵的泵；-第一供给管道的上游端和/或第一供给管道的泵送部件通往蒸馏室的一个区 域——该区域主要收集来自处于液-气平衡的％e-4He混合物的；-第二供给管道的泵送部件是用于泵送液态4He的泵，例如机械泵和/或称为喷流 泵(热机械泵，pompe thermo-mecanique)的泵或用于4He的机械泵；-第二供给管道的上游端和/或第二供给管道的泵送部件通往蒸馏室的一个区 域——该区域主要收集来自处于液-气平衡的％e-4He混合物的；-第二供给管道的泵送部件或第二供给管道的上游端经由一用于选择性地过滤 4He的元件通往蒸馏室的一个区域内。本发明还涉及一种通过稀释循环获得极低温度的冷度的方法，极低温度特别地低 于I且更优选地低于1Κ，稀释循环通过由相应供给管道分开引导的液态和液态^fe在 混合室内形成两种同位素3He和的两相混合物，在该方法中，经由排放管道从混合物汲 取来自称为浓相的一个相的3He,以使3He进入称为稀相的一个相，并由此回收由3He进入稀 相而生成的冷能，通过控制被分开地引入混合室的纯3He和4He的流量以及管道中的毛细作 用力独立于重力地分离两相混合物的相。根据一个有利特征，稀释循环以闭环工作，所述方法包括-第一步骤，从由排放管道汲取的该部分混合物中回收和分离两种同位素3He和 4He ；-第二步骤，将在第一步骤期间分离的两种同位素3He和4He重新引入混合室。根据其它可能的特征-在构造成使3He-4He混合物保持处于液_气平衡的蒸馏室内执行回收和分离两种同位素的第一步骤；-利用各自的泵送部件执行将两种同位素3He和4He重新引入混合室的第二步骤；-两种同位素3He和4He的混合物在混合室内保持在介于IOmK与300mK之间、例 如介于50mK与300mK之间的温度下；-第一管道的泵送部件的泵送压力介于0.Imb与50mb之间，且优选地等于约5毫 巴；-该方法在第一回收和分离步骤与第二重新引入步骤之间包括分别将被分离的同 位素之一或每一者冷却到介于IK与I之间、并且优选地介于1. 4K与1. 5K之间的温度的 步骤；-蒸馏室内的温度和蒸馏室内的3He浓度保持成使得咕6的蒸气压力远高于^fe的 蒸气压力；-第一管道的泵的输出压力介于50毫巴与1500毫巴之间、并且优选为200mb的量 级，以便在1. 4-1. 5K的温度(泵出口冷却)下液化；-该方法使用稀释制冷机，所述制冷机包括混合室；第一供给管道，其具有连接 到氦同位素3 (3He)的源的上游端和连接到混合室的下游端；第二供给管道，其具有连接到 氦同位素4(4He)的源的上游端和连接到混合室的下游端；排放管道，其用于排放在混合室 内由分别从第一和第二管道供给的3He和4He形成的^fe-4He的混合物一部分，该排放管道 包括连接到混合室的上游端和连接到用于回收该部分被排放的混合物的收集空间的下游 端，第一和第二管道的下游端和排放管道的上游端在一共同的接合处流体连通以形成混合 室，氦混合物之间的相分离由3He和4He的流量以及管道中的毛细作用力而不是由重力控 制，该制冷机还包括形成混合物被回收于其中的收集空间的蒸馏室，该蒸馏室保持和 4He的混合物处于液-气平衡，该蒸馏室形成3He和^fe 二者的源，第一供给管道包括用于选 择性地将3He泵送到蒸馏室内以对混合室连续地供给3He并处于第一闭环中的泵送部件，第 二供给管道包括用于选择性地将^fe泵送到蒸馏室内以对混合室连续地供给4He并处于第 二闭环中的泵送部件；-第二管道的泵(喷流压力泵)内的压力可以为数百毫巴，以在单相毛细管和位于 所述喷流压力泵与蒸馏室之间的毛细管中形成湍流；-当第二管道4的泵7为机械泵时，泵送压力可以是负压。本发明还可涉及包括上文或下文所列特征的任何组合的任何可选设备或方法。
其它特征和优点将通过阅读以下说明变得显而易见，以下说明参考附图给出，附 图示意性地并且部分地示出根据本发明的一个可能的实施例的制冷机的结构和操作。
具体实施例方式稀释致冷器1包括形成在第一 3He供给管道3、第二 ^fe供给管道4和用于排放 3He-4He混合物的排放管道8的开口端(共同的接合处)的混合室2。排放管道8从上游至下游包括两个部分由所述两相(浓相和稀相)经过的第一 部分(标记为13的区域)和当浓相已完全稀释在稀相中后由单相的3He-4He混合物经过的第二部分(标记为12的区域)。该排放管道8因此用于排放两相^fe-4He混合物——该两 相3He-4He混合物在混合室2内通过分别由第一管道3和第二管道4供给的3He和4He产 生。氦3He-4He的混合物之间的相分离由经过管道3、4、8的他和他的流量和管道3、 4、8中的毛细作用力控制。这就是说意味着相分离既不依赖于重力也不依赖于取向(根据 与文献FR 2 626 658中采用的相同的总体原理)。制冷机1包括蒸馏蒸发器5，蒸馏蒸发器5容纳与3He浓蒸气相处于平衡状态的稀 释的液态Me-4He混合物。蒸馏室5例如是带有所需流体入口和出口的铜和/或不锈钢的子组件，其构成例 如数立方厘米的封闭容积。蒸馏室5的容积的尺寸设计成使得根据经过系统的He的量在 所述容积内形成一液-气界面。第一管道3的上游端经由泵6连接到蒸馏室5，且第一管道3的下游端连接到混合室2。第二供给管道4具有经由泵7连接到蒸馏室5的上游端和连接到混合室2的下游端。排放管道8在其上游端连接到混合室2并在其下游端连接到蒸馏室5。设备1因此在蒸馏室5与混合室2之间形成两个闭环。设备1被填充以饱和的^fe 和4He混合物，以使得在蒸馏室5内存在气-液界面、并且在混合室2内存在浓-稀界面。第一供给管道3经由例如泵的泵送部件6对混合室2供给来自蒸馏室5的3He。第二供给管道4经由例如泵的泵送部件7对混合室2供给来自蒸馏室5的4He。第一管道3的泵6主要泵送(气态)，因为蒸馏室5内的温度和蒸馏室5内的 3He浓度被保持成使得3He的蒸气压力远高于4He的蒸气压力。该泵6可以是置于环境温度或低温下的机械泵或任何其它适当的等效泵送系统 (例如吸附泵)。在从蒸馏室5泵送出之后，3He在其被引入混合室2之前被冷却。例如，致 冷器10使从蒸馏室5以气态形式泵出的3He液化。该致冷器10例如可由基于He (3He或 4He)工作的Joule-Thomson膨胀系统或任何能够提供理想地处于1. 4至1.涨量级的温度的 致冷器组成。在该第一致冷器10之后，3He被蒸馏室5冷却(与第一管道3进行热交换)。 接下来，3He可以通过第一管道3与排放管道8 (该排放管道8也可能与第二管道4成热交 换关系)之间的热交换冷却。因此存在一区域12，其中注射的液态3He与单相W^fe-4He混 合物进行热交换，然后存在区域13，其用于在注射的液态3He与两相Me-4He混合物之间进 行热交换。以液体形式注入混合箱2的氦同位素3 (3He)通常具有介于IOmK与300mK之间的温度。第二管道4的泵7仅仅泵送液态4He。液态他泵7可借助例如称为超漏装置的系 统9连接到蒸馏室5，该超漏装置的作用类似于仅允许泵送超流体4He的半透膜。该超漏装 置9具有浸入蒸馏室5的液相的一端19和未浸没且优选地与蒸馏室5隔热的一端四。此 外，边界装置14可用于封闭/密封与超漏装置的浸没端19接触的液态3He-4He混合物。该 边界装置14可利用毛细作用工作，例如它可以由多孔介质组成——多孔介质具有与期望应 用相适应的小孔尺寸分布。可以想象例如采用电场的其它系统来实现液相与气相之间的这种封闭。泵7可为喷流泵(热机械泵)或机械4He泵或任何其它于室温或低温下适当定位 在超漏装置9下游的适当的等效部件(例如吸附泵或低温涡轮)。从蒸馏室5泵送的超流体他可被一执行与第一管道3的致冷器10相同功能的 外部冷源11冷却(冷却到理想地为1. 4至1. 5K量级的温度)。附及地，两个致冷器10和 11可形成仅仅单个同一冷却元件。应注意，在热力学上可以设想省去冷源(致冷器10和/ 或致冷器11，可以任选其一或二者)，在第二管道4的泵7耗散的热量足够低时尤其如此。在该第一致冷器11之后，4He可被蒸馏室5冷却(与第二管道4进行热交换)。接 下来，4He通过该第二管道4与排放管道8 (该排放管道8也可能与第一管道3成热交换关 系)之间的热交换被冷却。因此存在一区域12，其中在注射的液态3He与单相W^fe-4He混 合物之间进行热交换，然后是区域13，其中在注射的液态3He与双相Me-4He混合物之间进 行热交换。以液体形式注入混合室2的氦同位素4 (4He)通常具有介于IOmK与300mK之间的温度。混合室2内的工作温度通常介于从IOmK至300mK的范围内。为了使第二管道4的喷流压力泵7能够有效地工作，蒸馏室5的液相中的3He浓 度优选地为10%的量级，蒸馏室5内的温度优选为约1.05K。因此，蒸馏室5内的蒸气压力 的量级为5mb，且蒸气中的3He浓度接近95%。第一管道3的泵6的泵送压力因此通常为5mb的量级，且输出压力例如为200mb 的量级或更高，并且这允许3He在1. 4-1. 5K的温度下液化。在泵送以及第一致冷器10、11之后的流体温度例如介于IK与I之间。因此，根据本发明的稀释制冷机1使用一封闭系统14，该封闭系统14允许蒸馏室 5内的液相和气相的局部化。根据本发明的制冷机1因此可以连续地维持在两个闭环中的氦同位素(4He和3He) 的两种截然不同的流量，无需从外部添加氦。所获得的制冷机1或低温箱允许不受限制地、自主地在混合室2内产生并维持例 如量级为0. 05K的稳定温度。上文所述的系统可以安装在可沿所有方向取向的支撑件上，特别是考虑在失重环 境中的应用或在承受弓I力场时的应用。
权利要求
1.一种用于获得极低温度的稀释制冷机，包括混合室O)；第一供给管道(3)，其具 有连接到氦同位素3 fHe)的源的上游端和连接到所述混合室( 的下游端；第二供给管道 G)，其具有连接到氦同位素4 (4He)的源的上游端和连接到所述混合室(2)的下游端；用于 排放^fe-4He的混合物的排放管道(8)，所述^fe-4He的混合物在所述混合室O)内由分别 从所述第一管道C3)和所述第二管道(4)供给的3He和4He形成，所述排放管道(8)包括连 接到所述混合室( 的上游端和连接到用于回收该部分排放的混合物的收集空间( 的下 游端，所述第一管道C3)和所述第二管道的下游端以及所述排放管道(8)的上游端在 一共同的接合处流体连通以形成所述混合室O)，氦^fe-4He的混合物之间的相分离独立于 重力由所述管道(3、4、8)中的3He和^e的流量以及所述管道的毛细作用力控制，其特征在于，所述稀释制冷机包括形成混合物被回收于其中的所述收集空间的蒸馏室(5)，所述蒸 馏室( 保持3He和^fe的混合物( 处于液-气平衡，所述蒸馏室( 形成3He的源和^fe 的源，所述第一供给管道C3)包括用于选择性地将3He泵送到所述蒸馏室(5)内以对所述 混合室( 连续地供给3He并处于第一闭环中的泵送部件(6)，所述第二供给管道(4)包括 用于选择性地将4He泵送到所述蒸馏室(5)内以对所述混合室( 连续地供给^fe并处于 不同的第二闭环中的泵送部件(7、9)。
2.如权利要求1所述的制冷机，其特征在于，所述蒸馏室(5)包括一部件(14)，所述部 件(14)用于对于所述气相而言封闭所述液相。
3.如权利要求2所述的制冷机，其特征在于，用于选择性地泵送^fe的所述泵送部件 (7,9)包括与由封闭部件(14)封闭的液相流体连通(19)的超漏装置(9)以及泵送部件 (7)，所述泵送部件(7)的入口经由09)所述超漏装置(9)连接到所述液相。
4.如权利要求1至3中任一项所述的制冷机，其特征在于，所述第一管道C3)和所述第 二管道以及所述排放管道(8)被组装成在所述蒸馏室( 与所述混合箱( 之间进行 热交换。
5.如权利要求1至4中任一项所述的制冷机，其特征在于，所述第一供给管道C3)的泵 送部件(6)是用于泵送气态3He的泵，例如机械泵和/或一个或多个称为吸附泵的泵。
6.如权利要求1至5中任一项所述的制冷机，其特征在于，所述第一供给管道C3)的上 游端和/或所述第一供给管道(3)的泵送部件(6)通往所述蒸馏室(5)的下述区域该区 域主要收集来自处于液-气平衡的3He-4He混合物的3He。
7.如权利要求1至6中任一项所述的制冷机，其特征在于，所述第二供给管道(4)的所 述泵送部件(7)是用于泵送液态^fe的泵(P)，例如机械泵和/或称为喷流泵(热机械泵) 的泵或用于超流体氦的机械泵。
8.如权利要求1至7中任一项所述的制冷机，其特征在于，所述第二供给管道(4)的上 游端和/或所述第二供给管道(4)的泵送部件(7)通往所述蒸馏室(5)的下述区域该区 域主要收集来自处于液-气平衡的3He-4He混合物的4He。
9.如权利要求7或8所述的制冷机，其特征在于，所述第二供给管道(4)的所述泵送部 件(7)或所述第二供给管道的上游端经由一用于选择性地过滤4He的元件(9)通往所 述蒸馏室(5)的区域。
10.一种用于通过稀释循环获得极低温度的冷度的方法，所述极低温度特别地低于I且更优选地低于1K，所述稀释循环通过由相应供给管道(3、4)分开引导的液态3He和液态 咕6在混合室O)内形成两种同位素的两相混合物，在所述方法中，经由排放管道 (8)从所述混合物汲取来自称为浓相的一个相的3He,以使得所述3He进入称为稀相的一个 相，并且由此回收由3He进入所述稀相而生成的冷能；通过控制分开地引入所述混合室(2) 的纯和4He的流量以及所述管道(3、4)中的毛细作用力独立于重力地分离所述两相混 合物的相，其特征在于，所述稀释循环以闭环工作，所述方法包括第一步骤，从由排放管道(8)汲取的该部分混合物回收和分离所述两种同位素3He和4He ；第二步骤，将在所述第一步骤期间分离的两种同位素3He和重新引入混合室(2)。
11.如权利要求10所述的方法，其特征在于，在构造成使所述3He-4He混合物(2)保持 处于液-气平衡的蒸馏室(5)内执行回收和分离所述两种同位素的第一步骤。
12.如权利要求10或11所述的方法，其特征在于，使用相应的泵送部件(6、7)执行将 两种同位素3He和^le重新引入所述混合室O)的第二步骤。
13.如权利要求10至12中任一项所述的方法，其特征在于，将所述两种同位素3He和 4He的混合物在所述混合室O)内保持在介于IOmK与300mK之间的温度中。
14.如权利要求10至13中任一项所述的方法，其特征在于，第一管道(3)的泵送部件 (6)的泵送压力介于0. Imb与50mb之间，并且优选地为约5毫巴。
15.如权利要求10至14中任一项所述的方法，其特征在于，在第一回收和分离步骤与 第二重新引入步骤之间，所述方法包括分别将被分离的同位素之一或每一者冷却到IK与 2K之间、并且优选地冷却到1. 4K与1. 5K之间的温度的步骤。
16.如权利要求10至15中任一项所述的方法，其特征在于，所述方法使用稀释制冷机， 所述制冷机包括混合室O)；第一供给管道(3)，其具有连接到氦同位素3 (3He)的源的上 游端和连接到所述混合室( 的下游端；第二供给管道G)，其具有连接到氦同位素4 (4He) 的源的上游端和连接到所述混合室O)的下游端；排放管道(8)，其用于排放在所述混合 室⑵内由分别从所述第一管道⑶和所述第二管道⑷供给的3He和4He形成的^fe-4He 的混合物的一部分，所述排放管道(4)包括连接到所述混合室O)的上游端和连接到用于 回收该部分被排放的混合物的收集空间( 的下游端，所述第一管道C3)和所述第二管道(4)的下游端以及所述排放管道(8)的上游端在一共同的接合处流体连通以形成所述混合 室O)，氦混合物之间的相分离由3He和^fe的流量以及所述管道中的毛细作用力控制而不 是由重力控制，所述制冷机(1)还包括形成混合物被回收于其中的所述收集空间的蒸馏室(5)，所述蒸馏室( 保持3He和4He的混合物处于液_气平衡，所述蒸馏室( 形成和 ^fe 二者的源，所述第一供给管道C3)包括用于选择性地将3He泵送到所述蒸馏室(5)内以 对所述混合室( 连续地供给3He并处于第一闭环中的泵送部件(6)，所述第二供给管道 (4)包括用于选择性地将^fe泵送到所述蒸馏室(5)内以对所述混合室( 连续地供给^fe 并处于第二闭环中的泵送部件(7)。
全文摘要
本发明涉及一种用于通过稀释循环获得极低温冷度的方法，其中通过分开添加的液态3He和4He在混合室(2)内形成两种同位素3He和4He的两相混合物，其中对来自所谓的浓相的3He的混合物进行汲取以便使3He进入所谓的稀相，并且由此回收通过使3He进入稀相而产生的低温，通过监控分开添加到混合室(2)内的纯3He和4He的流量并通过与重力无关的毛细作用力执行两相混合物的相分离，稀释循环以闭环工作，该方法包括第一步骤，其从由排放管道(8)汲取的该部分混合物回收和分离两种同位素3He和4He；以及第二步骤，其将在第一步骤期间分离的两种同位素3He和4He送回混合室(2)。本发明还涉及一种制冷机。
文档编号F25B9/12GK102112824SQ200980130316
公开日2011年6月29日 申请日期2009年7月22日 优先权日2008年7月31日
发明者A·贝诺伊特, F·马丁, G·韦尔默朗, P·加缪, S·特里凯纽克斯 申请人:乔治洛德方法研究和开发液化空气有限公司, 法国国家空间研究中心, 科学研究国家中心