低温吸附式制冷机的制作方法

本发明涉及用于冷却热负荷的低温吸附式制冷机。

背景技术：

0、背景

1、低温吸附式制冷机(也称为吸附式或吸着式(sorption)冷却器)是蒸发冷却器的一种类型。它们经常被用于将某些类型的科学和商业设备(诸如天文望远镜传感器、远红外成像相机和量子计算机芯片)冷却到极低的温度(通常低于1k)。

2、吸附式制冷机是为数不多的能够达到低于4.2k温度的设备之一，在标准大气压下4.2k是氦-4的沸点(4he，氦的常见同位素)。可达到低于4.2k的温度的替代设备包括依靠气态氦膨胀的机械冷却器(例如，吉福德-麦克马洪(gifford mcmahon)冷却器、脉冲管冷却器、斯特林(stirling)冷却器或焦耳-汤姆逊(joule-thomson)冷却器)、稀释制冷机、绝热去磁制冷机和波麦兰丘克(pomeranchuk)冷却设备。

3、吸附式制冷机利用液体的蒸发的潜热来产生冷却效果。吸附式制冷机简单、紧凑、功耗低。它们可以仅使用4he作为冷却剂，冷却到800mk左右的温度，并使用3he(氦的轻同位素)作为冷却剂，冷却到200mk左右的温度。在某些应用中，吸附式制冷机优于其他类型的冷却设备，诸如机械冷却设备，因为它们使用简单，可以达到极低的温度，不包含移动部件(使它们无振动)并且不需要磁场来操作。

4、在典型的吸附式制冷机中，吸附材料(诸如活性炭或矿物沸石(mineralzeolite))位于第一腔室中。液体冷却剂，如4he或3he位于第二“蒸发”室中，该腔室充当液体储存器。第一腔室和第二腔室经由流体流动管道(fluid flow conduit)流体连接。第一腔室中的吸附材料被用于通过吸附冷却剂蒸发时产生的蒸汽从而降低蒸发室中的蒸汽压力来驱动第二腔室中液体冷却剂的蒸发(经由流体流动管道)。当液体冷却剂蒸发时，蒸汽带走的能量等于蒸发的潜热。这种能量损失导致存在于蒸发室中的残余的液体冷却剂冷却。蒸发室热连接到待冷却的热负荷。

5、一种类型的吸附式制冷机是单次循环(single-shot)吸附式制冷机。单次循环吸附式制冷机不提供连续冷却，而是在再生循环中操作，由此周期性地需要短的再生阶段。然后，在需要另一个再生阶段之前，制冷阶段持续更长但有限的时间。在冷却模式下操作一段时间后，所有的冷却剂都被吸附材料吸附，并且没有冷却剂残留在蒸发室中。在再次使用之前，该设备必须通过加热吸附材料来再生，以便冷却剂从吸附材料中解吸，并且冷却剂必须冷凝，以便其可以作为液体返回到蒸发室。设备还必须预冷却到设备可以开始有效操作的温度(通常低于5k左右)。

6、如上所述，吸附式制冷机中常用的冷却剂是4he。众所周知，液体4he当冷却到低于其约2.17k的“λ点(lambda point)”的温度时，变成超流体。在其超流体状态下，众所周知，4he会形成一个超流体膜，该膜会沿着它被包含在内的容器的壁蔓延。

7、当用作吸附式制冷机中的冷却剂时，蒸发室中的4he在操作过程中的温度通常会降低到低于λ点。一旦低于λ点，超流体4he形成超流体膜，其沿着蒸发室的侧面向上蔓延，并通过蒸发室的出口沿着将蒸发室和吸附泵连接的管流动。

8、来自蒸发室的4he的冷却剂的这种损失是不希望的，因为它减少了吸附式制冷机可以在冷却模式下操作的时间长度(称为设备的“保持时间”或“运行时间”)。这是因为作为超流体从蒸发室逸出的冷却剂不会在蒸发室中蒸发，因此不会冷却蒸发室。冷却剂在能够提供任何有用的冷却之前，实际上已经从蒸发室中流失。

9、为了试图解决超流体4he冷却剂流出蒸发室的这个问题，已知会提供一个板，该板包括将蒸发室和吸附泵连接的流体流动管道中的窄孔。该板位于流体流动管道的流体流动管道与蒸发室连接的入口处或沿流体流动管道的长度位于蒸发室和吸附泵之间。窄孔的形状和尺寸被设计成使得它仍然允许足够的气态冷却剂从蒸发室流向吸附泵，同时降低超流体4he可以从蒸发室流出的速率。

10、这种布置在lau等人(于2006年)的“experimental tests and modelling of theoptimal orifice size for a closed cycle 4he sorption refrigerator”(cryogenics,第46卷)中公开。有利地，在流体流动管道的入口处或沿着流体流动管道的长度提供包括窄孔的板可以通过降低超流体4he从蒸发室流出的速率来增加设备的保持时间。然而，这种布置可能有几个缺点。

11、首先，将设备从室温(大约300k)预冷却到设备可以开始有效操作的温度(通常大约5k)可能需要大量时间(在某些情况下需要几天)。

12、此外，窄孔增加了气态冷却剂流过该窄孔并进入到流体流动管道中的速度。高速气态冷却剂可能会引起流体流动管道中存在的气体柱的振荡。这是不希望的，因为它会增加通过气体柱的热传递，在蒸发室上产生额外的热负荷，这会降低设备的性能。

13、此外，除了减少超流体冷却剂的流量之外，窄孔还降低了来自蒸发室的气态冷却剂的流速，从而降低了设备的总冷却能力。事实上，即使当设备在高于λ点的温度下操作时，窄孔也降低了气态冷却剂的流速，当设备在高于λ点的温度下操作时，不需要减少来自蒸发室的超流体膜的流量，因为冷却剂没有冷到足以处于超流体状态。

14、希望提供一种能够避免或减轻部分或全部上述缺点的低温吸附式制冷机。

技术实现思路

0、发明概述

1、根据本发明的第一方面，提供了一种用于冷却热负荷的低温吸附式制冷机。该低温吸附式制冷机包括：吸附泵，该吸附泵包括包含吸附材料的腔室；蒸发器，其被布置成容纳冷却剂；以及一个或更多个流体流动管道。蒸发器包括第一蒸发室和第二蒸发室。第一蒸发室经由一个或更多个流体流动管道与吸附泵流体连接，使得气态冷却剂可以从第一蒸发室流向吸附泵。第一蒸发室和第二蒸发室经由流动控制孔流体连接，该流动控制孔被布置成减少超流体冷却剂从第二蒸发室流向第一蒸发室的流动。

2、可选地，第一蒸发室和第二蒸发室由壁分隔，并且流动控制孔设置在该壁内。

3、可选地，壁由位于蒸发器内第一蒸发室和第二蒸发室之间的板提供。

4、可选地，第一蒸发室在壁和一个或更多个流体流动管道中的至少一个之间具有大约3mm的深度。

5、可选地，壁包括另一环形壁，该环形壁包围流动控制孔并延伸到第二蒸发室中。

6、可选地，流动控制孔的至少一部分是锥形的，使得其直径在第二蒸发室的方向上减小。

7、可选地，流动控制孔包括内边缘，该内边缘是电抛光的或是原子级锋利的刀刃形边缘(knife-edge)。

8、可选地，流动控制孔的直径在大约0.2mm和2.5mm之间。

9、可选地，流动控制孔被定位成使得在使用中它不与一个或更多个流体流动管道垂直对齐。

10、可选地，低温吸附式制冷机包括两个或更多个流体流动管道。

11、可选地，在使用中，第一蒸发室是上部蒸发室，第二蒸发室是下部蒸发室。

12、可选地，第一蒸发室、第二蒸发室和流动控制孔被布置成使得在使用中，在再生循环期间，液体冷却剂因重力从第一蒸发室经由流动控制孔落到第二蒸发室。

13、可选地，一个或更多个流体流动管道将第一蒸发室与吸附泵直接流体地连接。

14、可选地，该设备包括被布置成拦截在第一蒸发室和吸附泵之间行进的流体的另一腔室，并且其中一个或更多个流体流动管道流体地连接第一蒸发室和另一腔室。

15、可选地，该设备还包括将该另一腔室与吸附泵流体连接的一个或更多个另外的流体流动管道。

16、可选地，另一腔室限定环形腔。

17、可选地，网状结构位于环形腔内。

18、可选地，将第一蒸发室与另一腔室流体连接的一个或更多个流体流动管道比将另一腔室与吸附泵流体连接一个或更多个另外的流体流动管道具有更小的直径。

19、可选地，将第一蒸发室与另一腔室流体连接的流体流动管道的数量不同于将另一腔室与吸附泵流体连接的另外的流体流动管道的数量。

20、可选地，多孔材料设置在第一蒸发室和第二蒸发室内。

21、可选地，一个或更多个流体流动管道延伸到第一蒸发室中。

22、可选地，冷却剂是4he。

23、可选地，低温吸附式制冷机是单次循环制冷机。

24、有利地，根据本发明的实施例，已经确定，将吸附式制冷机的蒸发器分成第一蒸发室和第二蒸发室，并将流动控制孔定位在第一蒸发室和第二蒸发室之间，而不是连接蒸发器和吸附泵的流体流动管道中，可以保持以下优点：减少来自蒸发器的超流体冷却剂的流量，同时减少将设备预冷却到其操作温度所需的时间，并改善设备的热性能。

25、具体地，本发明的实施例提供了一种低温吸附式制冷机，其包括蒸发器，该蒸发器包括由流动控制孔分隔的第一蒸发室和第二蒸发室，第一蒸发室经由一个或更多个流体流动管道(本文也称为管)流体连接到吸附泵。流动控制孔被布置成减少(本文也称为限制)超流体冷却剂从第二蒸发室到第一蒸发室的流动。有利地，由于在第一蒸发室和吸附泵之间的路径中没有限制冷却剂流动的流动控制孔，所以第一蒸发室在蒸发器内提供了可以更容易地与吸附泵交换热能(例如，通过冷却剂的对流)的体积。这可以减少在使用前将设备预冷却到其操作温度(通常低于大约5k)所需的时间。

26、有利地，在设置有将第一蒸发室与吸附泵流体连接的两个或更多个流体流动管道的实施例中，这可以通过允许冷却剂在对流回路中通过流体流动管道中的两个或更多个在第一蒸发室和吸附泵之间的流动来进一步减少将设备预冷却到其操作温度所需的时间。有利地，与传统布置相比，这可以将设备从室温预冷却到其操作温度所需的时间从几天减少到几小时。

27、附加地，将流动控制孔定位在第一蒸发室和第二蒸发室之间，而不是在流体流动管道的入口处是有利的，因为它可以减少由于冷却剂流经流动控制孔时速度增加而在流体流动管道中引起的气态冷却剂的压力振荡。将流动控制孔定位在远离流体流动管道的入口的位置，可以让压力振荡在第一蒸发室内消散。这可以通过减少流体流动管道中存在的气态冷却剂柱的热传递，来提高设备的整体性能。

28、附加地，虽然当设备以冷却模式操作时，大部分冷却剂通常位于第二蒸发室中，但在某些实施例中，当设备开始以冷却模式操作时，少量液体冷却剂可以保留在第一蒸发室中。这是有利的，因为保留在第一蒸发室中的冷却剂在初始冷却阶段可以蒸发。气态冷却剂从第一蒸发室到吸附泵的流速不受流动控制孔的限制。有利地，由于冷却能力受到蒸发的冷却剂流出蒸发器的流速的限制，这意味着在冷却剂从第一蒸发室蒸发的初始冷却阶段，该设备可以具有更高的冷却能力。通常，冷却剂的温度在初始冷却阶段不会低于λ点，因此不存在超流体冷却剂形成从第一蒸发室爬出的膜的问题。

29、在权利要求中限定了本发明的各种进一步的特征和方面。