带插杆功能的干式稀释制冷机快速预冷的热开关装置

本技术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装置，属于干式稀释制冷。

背景技术：

1、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。

2、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。

技术实现思路

1、实用新型目的：为了克服现有技术中存在的不足，本实用新型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装置，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。

2、技术方案：为实现上述目的，本实用新型采用的技术方案为：

3、一种带插杆功能的干式稀释制冷机快速预冷的热开关装置，包括插杆，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，所述混合室传热件用于安装在样品室的上方。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still传热件之间通过弹簧一支撑连接。

4、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干式稀释制冷机外。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干式稀释制冷机外。

5、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。

6、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。

7、优选的：所述定位杆为玻璃纤维环氧树脂杆。

8、优选的：所述一级传热件、二级传热件、still传热件、混合室传热件、分别与干式稀释制冷机之间形成滑动热接触，所述第一动密封杆、第二动密封杆分别与干式稀释制冷机之间形成滑动密封。

9、优选的：包括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机构，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，所述混合室传热件与第四通孔之间滑动连接，所述still传热件与第三通孔之间滑动连接，所述二级传热件与第二通孔之间滑动连接，所述一级传热件与第一通孔之间滑动连接。

10、优选的：包括一级冷头、二级冷头，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。

11、本实用新型相比现有技术，具有以下有益效果：

12、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，本实用新型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。

13、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。本实用新型在绝热阶段断开接触，绝热效果更好。

14、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。

15、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。

技术特征：

1.一种带插杆功能的干式稀释制冷机快速预冷的热开关装置，其特征在于：包括插杆，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)用于安装在样品室的上方；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)与混合室传热件(14)之间通过弹簧二支撑连接；

2.根据权利要求1所述带插杆功能的干式稀释制冷机快速预冷的热开关装置，其特征在于：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。

3.根据权利要求2所述带插杆功能的干式稀释制冷机快速预冷的热开关装置，其特征在于：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。

4.根据权利要求3所述带插杆功能的干式稀释制冷机快速预冷的热开关装置，其特征在于：所述定位杆(173)为玻璃纤维环氧树脂杆。

5.根据权利要求4所述带插杆功能的干式稀释制冷机快速预冷的热开关装置，其特征在于：所述一级传热件(10)、二级传热件(12)、still传热件(13)、混合室传热件(14)、分别与干式稀释制冷机之间形成滑动热接触，所述第一动密封杆(101)、第二动密封杆(102)分别与干式稀释制冷机之间形成滑动密封。

6.根据权利要求5所述带插杆功能的干式稀释制冷机快速预冷的热开关装置，其特征在于：包括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机构，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(16)的样品室，所述混合室传热件(14)与第四通孔之间滑动连接，所述still传热件(13)与第三通孔之间滑动连接，所述二级传热件(12)与第二通孔之间滑动连接，所述一级传热件(10)与第一通孔之间滑动连接。

7.根据权利要求6所述带插杆功能的干式稀释制冷机快速预冷的热开关装置，其特征在于：包括一级冷头(9)、二级冷头(11)，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。

技术总结
本技术公开了一种带插杆功能的干式稀释制冷机快速预冷的热开关装置，包括插杆，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，所述混合室传热件用于安装在样品室的上方。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still传热件之间通过弹簧一支撑连接。本技术在稀释制冷阶段，可实现稀释制冷机各级温度层之间热绝缘，对稀释单元形成保温效果。

技术研发人员：李旭,邓明堂,吴俊杰,张鑫方,易品筠,贺冬,杨洋,任波
受保护的技术使用者：中国人民解放军国防科技大学
技术研发日：20221013
技术公布日：2024/1/12