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CN106461287A - 用于将从待冷却部件延伸的长形导热结构有效冷却到低温温度的低温流体回路设计 - Google Patents

用于将从待冷却部件延伸的长形导热结构有效冷却到低温温度的低温流体回路设计 Download PDF

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CN106461287A
CN106461287A CN201580027836.3A CN201580027836A CN106461287A CN 106461287 A CN106461287 A CN 106461287A CN 201580027836 A CN201580027836 A CN 201580027836A CN 106461287 A CN106461287 A CN 106461287A
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CN
China
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cryogenic
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adjustable valve
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CN201580027836.3A
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N·斯特里克兰
S·维姆布什
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Vitoria Interconnect Co Ltd
Victoria Link Ltd
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Vitoria Interconnect Co Ltd
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Abstract

一种低温系统，包括：低温室的壳体，低温室中的冷源，以及用于在冷源和低温室中的待冷却部件之间循环低温流体的循环回路。待冷却部件具有延伸到更温暖环境的长形导热结构。为了长形导热结构的可调节冷却，低温流体的输入流沿着从待冷却部件延伸的结构的长度被引导，并且该输入流被分流成在离开待冷却部件的第一位置处的第一输出流以及在更远离待冷却部件的第二位置处的第二输出流，并且可调节阀调节输入流中的变为第二输出流的占比。

Description

用于将从待冷却部件延伸的长形导热结构有效冷却到低温温 度的低温流体回路设计
技术领域
本公开涉及低温系统中的低温流体的循环，以及用于将从被冷却的部件延伸到更温暖环境的长形导热结构有效冷却的流体回路设计。这样的结构可以包括但不限于电流引线、机械支撑件、机械馈通件、以及旋转轴承。
背景技术
当常见材料被冷却到低温温度时，材料的性质常常变化，并且这些变化使低温装置的设计复杂化。这些变化在低于约150开氏度时变得明显。所以，在本公开中，“低温”涉及低于150开氏度的温度。例如，“低温气体”是沸点低于150开氏度的材料的气体，“低温流体”是沸点低于150开氏度的材料的气体或者冰点低于150开氏度的材料的液体。低温气体的示例包括氦、氢、氖、氮、氟、氩、氧和氪。在70开氏度以下使用的低温装置的设计是特别困难的，原因是只有少数元素具有低于70开氏度的沸点。这些元素是氢(沸点为20.3开氏度)、氦(沸点为4.2开氏度)和氖(沸点为27.1开氏度)。
低温系统通常包括低温室的壳体、冷源和循环回路，循环回路用于在冷源以及低温室中待冷却到低温温度的材料之间循环低温流体。氦典型地用作循环回路中的低温流体，原因是氦具有最低沸点，能够达到最低温度，氦相比于氢是惰性的且不可燃，并且氦比氖更便宜。例如，低温装置中的气体循环回路已经使用低温风扇作为离心泵以在低温冷却器和待冷却到低温温度的材料之间循环氦气。被动式、重力辅助的热虹吸回路也已用于在低温冷却器和待冷却到低温温度的材料之间循环氦气或液体。
低温系统常常包括待冷却到低温温度的部件、以及从低温室中的部件延伸到更温暖环境的长形导热结构。长形导热结构可能需要用于支撑低温室内的部件、用于向部件供电、用于将流体或真空供应到部件、或者用于调节、控制或监测部件。
例如，待冷却到低温温度的部件是电气部件或电子部件，并且长形导热结构包括用于将电流供应到部件或者在部件和外部环境之间传送电信号的电引线。在一个具体示例中，所述部件是待分析的材料样品，同时材料的电性质要根据温度进行测量。在另一示例中，所述部件是利用当部件冷却到低温温度时的超导状态的装置中的超导部件。例如，超导部件是电磁体或超导量子干涉器件(SQUID)或超导过滤元件或超导电子处理器件(例如模拟/数字转换器)或快速单磁通量子(RSFQ)计算元件。电子部件也可以冷却到低温温度，原因是部件的性能在较低温度下会有所改善。例如，常规电子放大器和检测器的热噪声在较低温度下减小，而常规中央处理单元(CPU)的轨道电阻和因此得到的热耗散减小，从而允许更高的时钟速度。
低温系统设计中的常见问题是用于将电流从系统外部(处于室温下)传输到系统的核心处的电气部件或电子部件(处于低温温度下)的电流引线的冷却。由于它们的性质，这些电流引线表现出显著的向系统的核心中的热泄漏，并且必须充分地进行冷却以便使这种泄漏最小化。
当电流流过电流引线时，由于欧姆损耗引起的热也可能需要被移除以便充分地冷却电气部件或电子部件。由于欧姆损耗引起的热量是电阻与流过电阻的电流的平方的乘积。为了减少欧姆损耗，承载大量电流的电流引线常常由高温超导(HTS)接线制成。常规HTS接线具有约77开氏度的转变温度，低于该转变温度则接线变为超导，并且接线的温度低于该转变温度越多，则其超导电流容量就变得越高。所以通常使用常规HTS接线以用于接至电气部件或电子部件的电流引线，所述电气部件或电子部件被冷却到远低于77开氏度的低温温度，并且除了电气部件或电子部件之外，冷却电流引线本身也变得格外重要。
发明内容
所公开的实施例涉及一种有效的和可调节的方法，所述方法定制应用于从低温室中的部件延伸到外部环境的长形导热结构的冷却程度以便减小低温室中的冷源上的热负荷。通过减小热负荷，能够实现系统的较低的低温基本温度，或者能够使用具有减小的冷却能力的冷源，或者能够减小维持冷源所消耗的功率。
在一个实施例中，一种低温系统包括：用于包含部件的低温室的壳体，所述部件具有从所述部件延伸到更温暖环境的长形导热结构；所述低温室中的冷源；以及循环回路，所述循环回路用于在所述冷源和所述低温室中的所述部件之间循环低温流体。所述循环回路包括：流路导管，其用于沿着从所述部件延伸的所述长形导热结构的长度引导低温流体的输入流。为了提供可调节的冷却量，所述循环回路还包括：在沿着所述长形导热结构的长度的第一位置处从所述流路导管分支的第一输出流导管，其用于从所述流路导管引导低温流体的第一输出流；在沿着所述长形导热结构的长度比所述第一位置更远的第二位置处从所述流路导管延伸的第二输出流导管，其用于从所述流路导管引导低温流体的第二输出流；以及联接到所述第一输出流导管和所述第二输出流导管中的至少一个输出流导管的可调节阀，其用于调节低温流体的输入流中的变为低温流体的第二输出流的占比。
在一个具体实施方式中，可调节阀是三通阀，其具有连接到所述第一输出流导管以接收低温流体的第一输出流的第一端口、连接到所述第二输出流导管以接收低温流体的第二输出流的第二端口、以及用于排出低温流体的组合流的第三端口。例如，在该具体实施方式中，低温流体的组合流是到达循环回路中的低温泵的入口流。
在另一具体实施方式中，所述可调节阀是所述第二输出流导管中的双通可调节阀，其用于调节在所述第二输出流导管中的限流。例如，在该具体实施方式中，所述循环回路中的气泵在所述壳体的外部，逆流热交换器联接在所述第一输出流导管和所述气泵之间以用于将流出的低温流体通过所述逆流热交换器从所述第一输出流导管引导到所述气泵的入口，并且所述逆流热交换器还联接在所述气泵和所述冷源之间以用于将流出的低温流体从所述气泵的出口引导到所述冷源。所述第二输出流导管联接到所述气泵的入口以将第二输出流引导到所述气泵的入口。
不管在循环回路中使用何种类型的可调节阀，都可以手动地或者自动地调节该可调节阀以实现长形导热结构的期望冷却量。例如，低温系统在沿着长形导热结构的长度的一位置处包括温度传感器，并且通过温度控制器手动地或自动地调节所述可调节阀以将由温度传感器感测的温度保持在温度设定点。
在另一方面，本公开描述一种冷却从低温系统中的部件延伸的长形导热结构的方法。所述低温系统包括：包含部件的低温室的壳体，所述长形导热结构从所述部件延伸到更温暖环境；所述低温室中的冷源；以及在所述冷源和所述低温室中的所述部件之间循环低温流体的循环回路。所述方法包括：沿着从所述部件延伸的所述长形导热结构的长度引导来自所述冷源的低温流体的输入流，以及沿着所述长形导热结构的长度将低温流体流分流成从所述长形导热结构的长度分支离开的低温流体的第一输出流和从所述长形导热结构的长度离开的低温流体的第二输出流。低温流体的第一输出流在沿着所述长形导热结构的长度的第一位置处从所述长形导热结构的长度分支离开，并且低温流体的第二输出流在沿着所述长形导热结构的长度比所述第一位置更远的第二位置处从所述长形导热结构的长度离开。所述方法还包括调节可调节阀以调节低温流体的输入流中的变为低温流体的第二输出流的占比。
附图说明
图1是低温系统和可调节三通混合阀的示意图，低温系统使用在低温室中的部件之间循环低温流体的低温泵，可调节三通混合阀用于可调节地冷却接至低温室中的电气部件或电子部件的电流引线；
图2是用于自动控制接至电气部件或电子部件的电流引线的冷却的自动控制系统的示意图；
图3是低温系统和两个可调节双通阀的示意图，低温系统使用在低温室中的部件之间循环低温气体的室温气泵和逆流热交换器，可调节双通阀用于可调节地冷却接至低温室中的电气部件或电子部件的电流引线；
图4是与图3中的低温系统相类似的低温系统的更具体示例的示意图；
图5是图4中引入的螺旋形逆流热交换器的透视图；
图6是图5的热交换器的下端的横截面图。
具体实施方式
应当领会，为了图示的简单和清楚，在适当的情况下，在不同的图之间重复的附图标记是用以指示对应的或类似的元件。另外，阐述了许多具体细节以便提供对本文中所述的实施例的透彻理解。然而，本领域普通技术人员将理解，可以在没有这些具体细节的情况下实践本文中所述的实施例。在其它情况下，一些方法、过程和部件没有进行详细描述以免模糊所要说明的相关特征。而且，说明内容不应被认为限制了本文所述的实施例的范围。附图不一定按比例绘制，并且某些部件的比例被放大以更好地示出本公开的细节和特征。
图1示出了低温系统20，其包括用于低温室22的壳体21。低温室22包含待冷却到低温温度的部件23。壳体21以使部件23与显著高于任何低温温度的外部环境之间隔热的方式设置。例如，在壳体21外部的环境是室温环境，并且在壳体21内部的区域用真空泵抽空以减小从外部环境到低温室22的对流热传递。壳体21也可以包括隔热层以减小从外部环境到低温室22中的低温部件的辐射热传递，并且低温室22中的部件可以用隔热材料包裹以便减小对这些部件的辐射热传递。例如，隔热材料是包括多层金属化塑料膜的超隔热材料。
为了将部件23冷却到低温温度，低温系统20包括在低温室22中的冷源25。在该示例中，冷源25是低温冷却器24的冷头。低温冷却器24将热量从冷头25泵送到散热器26以便将冷头的温度降低到低于部件23要被冷却到的低温温度。散热器26将热量排出到外部环境。例如，散热器26是空气冷却散热器，或者散热器26是由自来水流冷却的热交换器。在替代系统中，低温冷却器24可以用在低温室中设置冷源的另一类型的装置代替。例如，冷源可以是液氮的容器，并且当热量流动到液氮容器时，液氮将沸腾并且氮气将排出到外部环境。
为了将热量从部件23传递到冷头25，低温系统20包括使低温流体在部件23和冷头25之间循环的循环回路27。例如，循环回路27包括紧固到冷头25的热交换器28，并且低温流体流过热交换器28并从热交换器流到部件23以通过从部件吸收热量来冷却该部件。例如，低温流体直接接触部件23或者接触附连到部件23的热交换器。
在图1的实施例中，循环回路27包括低温泵29，其提供用于使低温流体循环通过回路的原动力。例如，低温泵是由荷兰索恩(Son)的CryoZone BV出售的低温风扇。然而，在冷头25在高度上高于部件23的低温系统中可以省略低温泵，以使得重力辅助对流能够使低温流体循环通过循环回路27。当循环回路27配置为热虹吸管时重力辅助对流是最有效的，其中低温气体在冷头25处凝结成液体，并且液体在重力作用下流动到部件23，在此液体沸腾以使得低温气体流回到冷头25。在这样的热虹吸管中，流回到冷头25的低温气体可以随其携带一些尚未汽化的低温液体。
本公开涉及对从部件23延伸到更温暖环境(例如在壳体外部的外部环境)的长形结构31、32进行冷却的问题。长形结构31、32可以用于将低温部件悬挂或安装在低温室中，或者可以在机械控制轴的情况下提供一种机械地调节或控制低温部件的方式，或者可以包括用于传输低温流体或真空的管，或者可以包括用于传输电功率或电信号的电引线，或者可以包括用于传输光信号的光纤。
在图1的具体示例中，长形结构包括将部件23连接到壳体21外部的电流源33的电引线，以用于将电流从电流源33供应到部件23。例如，部件23是超导电磁体，并且电流源33将可变量的电流提供给超导电磁体以便调节由超导电磁体产生的磁场的强度。在另一示例中，部件23是被测试材料的样品，并且电流源33将电流提供给样品以便根据在样品的位置处的温度和磁场强度来测量样品的电流-电压特性。在另一示例中，部件23是电子电路，其被冷却以改善电子电路的性能，并且电流源33将电流供应到电子电路以便向电子电路供电。
电流引线31、32意味着从壳体21外部的室温环境到低温室22中的显著热泄漏。这是以下事实的结果：目前已知的在低温温度以上是良好电导体的材料也是良好的热导体。而且，常规高温超导(HTS)接线具有约77开氏度的转变温度，低于该转变温度则接线变为超导。即使电流引线31、32完全由HTS接线制成，每根电流引线31、32也会存在一定的长度从壳体21的外部延伸穿过壳体21的壁并且在壳体21内延伸一定距离，直到电导体处于低于77开氏度的转变温度的温度。因此，当电流流过电流引线31、32时，与电流引线的电阻和电流的平方成比例地产生热量。这些热量中的一部分在壳体21内部产生，并且这些热量中的一部分在壳体21外部产生并通过电流引线31、32传导以在壳体21内部流动。
为了冷却壳体21内部的电流引线31、32，循环回路27中的低温流体流34沿着从部件23延伸的电流引线31、32的长度被引导。例如，如图1所示，部件23布置在罐30内部，并且壳体21内的电流引线的一部分也布置在罐30内部。来自热交换器28和冷头25的低温流体在部件23附近的入口端口35处进入罐30。电流引线通过在罐30的顶部处的帽38中的相应气体密封件36、37进入或离开罐30。
罐30的帽38从壳体21突出，并且帽38能够从罐30移除，以使得部件23和电流引线31、32的组件能够容易地从低温系统20移除而不会破坏低温室22中的真空。例如，罐30由不锈钢制成并且足够厚以在低温室22被抽真空时容纳稍高于大气压力的低温流体。罐30不比强度所需求的更厚，并且由不锈钢制成以减小沿其长度的热传导。
期望能够基于由电流引线产生的热量或者从室温环境通过电流引线传导的热量来调节低温流体的沿着电流引线31、32离开罐30的位置。例如，电流引线31、32的组成可以在位置39处变化，以使得电流引线从部件23的位置直到位置39是由HTS接线制成，并且电流引线从位置39直到电流源33的位置由铜制成。在此情况下，位置39应当保持在恰好低于77开氏度的转变温度的温度。所以，期望能够将低温流体离开罐30的位置定位成不比将位置38维持在恰好低于77开氏度的转变温度的温度所需的离开电气部件或电子部件23的位置更远。在另一方面，如果电流引线31、32完全由铜制成，则期望的位置可以更接近电流引线离开壳体21的位置。另外，如果存在由电流引线31、32产生的热量变化或者通过电流引线从室温环境传导的热量变化，则期望的位置会有所变化。当没有电流流过电流引线31、32时，期望的位置更加靠近部件23；当存在流过电流引线的最大量的电流时，期望的位置更加远离部件23。
由于在低温系统20的操作期间室温可能有所变化或者流过电流引线31、32的电流可能有所变化，因此期望调节低温流体的沿着电流引线31、32离开罐30的位置而不破坏低温室22中的真空。在该情况下，平移罐30的流体出口端口是不切实际的。然而，对于该问题的实际解决方案是为罐30提供沿着电流引线31、32的长度的两个或更多个出口端口，并且调节至少一个阀以选择从每个出口端口离开的流34的相应占比。
例如，如图1所示，罐30设有在沿着从部件23延伸的电流引线31、32的长度的第一位置处的第一出口端口41、以及在沿着电流引线的长度比第一位置更远的第二位置处的第二出口端口42。例如，第一位置沿着电流引线31、32的长度定位在部件23和第二位置之间，并且第二位置沿着电流引线的长度定位在第一位置和电流引线离开壳体21的位置之间。循环回路27还包括可调节阀43以用于调节来自罐入口端口35的低温流体的输入流中的从第二出口端口42离开的占比。在该示例中，从第二出口端口42离开的输入流的占比的调节也会调节输入流中的从第一出口端口41离开的对应占比，原因是这两个占比之和等于一。第一输出流导管44在第一出口端口41处从罐30分支以用于从罐引导低温流体的第一输出流，并且第二输出流导管45从第二出口端口42延伸以用于从罐引导低温流体的第二输出流。可调节阀43联接到第一输出流导管44和第二输出流导管45中的至少一个。
在图1的示例中，可调节阀43是三通混合阀，其具有连接到第一输出流导管44以接收低温流体的第一输出流的第一端口、连接到第二输出流导管45以接收低温流体的第二输出流的第二端口、以及第三端口，所述第三端口由导管46联接以将低温流体的组合流排出到壳体21内部的低温泵29的入口端口。例如，三通混合阀43是具有阀芯47的滑阀，当控制轴49转动时所述阀芯由螺杆48在轴向方向上平移。控制轴49通过壳体21中的密封件50延伸到用于手动调节阀43的旋钮54。在下部位置，阀芯47阻挡来自第二输出流导管45的流动并且允许来自第一输出流导管44的流动。在上部位置，阀芯47阻挡来自第一输出流导管44的流动并且允许来自第二输出流导管45的流动。在中间位置，阀芯47允许来自第一输出流导管44的流动并且也允许来自第二输出流导管45的流动。
在图1的示例中，温度传感器52在罐30中布置在介于罐的顶部和第二出口端口42之间的位置。温度传感器52电连接到位于壳体21外部的温度显示装置53。在该情况下温度传感器52感测温度，所述温度稍低于室温并且指示从壳体31外部通过电流引线31、32传导的热量以及由通过电流引线的电流传导生成的热量。因此，通过将由温度传感器52感测到的温度与设定点温度进行比较来发现是否需要冷却电流引线。
例如，操作人员从温度显示装置53读取感测到的温度，如果该温度高于设定点温度，则操作者逆时针转动旋钮54以减小通过第一出口端口41的流量并且增加通过第二出口端口42的流量；如果该温度低于设定点温度，则操作者顺时针旋转旋钮54以增加通过第一出口端口41的流量并且减小通过第二出口端口42的流量。
如图2所示，温度控制器61和阀致动器62已被加入到低温系统中以用于自动地控制电流引线冷却。温度传感器52电联接到温度控制器61以提供温度信号。例如，温度传感器52是传导恒定电流并且提供与绝对温度成比例的电压的硅二极管。温度控制器61是经过编程的微控制器或者经过编程的通用数字计算机，其具有用于温度信号的模拟输入以及用于控制阀致动器62的数字输入和数字输出。阀致动器62包括：步进马达63，将步进马达机械地联接到阀控制轴49的齿轮64、65，以及用于检测阀控制轴49的行程限制的限制开关66、67。
例如，温度控制器周期性地读取由温度传感器52感测的温度并且计算该温度和温度设定点之间的差值。如果差值为正且具有大于噪声水平阈值的幅度，并且上限开关66未指示已达上限，则温度控制器61脉冲驱动步进马达63以逆时针和向上驱动控制轴49从而增加通过第二出口端口42的低温流体的流量并且减小通过第一出口端口41的低温流体的流量。如果差值为负且具有大于噪声水平阈值的幅度，并且下限开关67未指示已达下限，则温度控制器61脉冲驱动步进马达63以顺时针和向下驱动控制轴49从而增加通过第一出口端口44的低温流体的流量并且减小通过第二出口端口42的低温流体的流量。
图3示出了低温系统70的另一实施例。低温系统70包括壳体71，其提供与外部室温环境隔热的低温室72。要冷却到低温温度的电气部件或电子部件73被插入罐80中。低温系统70包括低温冷却器74。低温冷却器74具有在低温室中的冷头75、以及用于将热量排出到外部环境的散热器76。低温系统70包括在电气部件或电子部件73和冷头75之间循环低温气体的循环回路77。例如，循环回路77包括紧固到冷头75的热交换器78。低温气体流过热交换器78并且从热交换器流动到罐80的底部处的入口端口99。
在图3的实施例中，低温循环回路77包括在壳体71外部的室温下操作的常规气泵79。逆流热交换器96安装在壳体71内部并且联接在气泵79的出口和热交换器78之间，以用于利用从罐80流出的低温气体冷却从气泵79流入到冷头75的低温气体。
部件73具有从部件73延伸到壳体71外部的电流源83的电流引线81、82。为了冷却电流引线81、82，引线从壳体内的部件73延伸到壳体的顶部处的帽84，以使得罐引导低温气体沿着从部件73延伸的电流引线的长度流动。为了调节电流引线81、83的冷却，循环回路77还包括从罐80分支的第一输出流导管85以及从罐80延伸的第二输出流导管86。第一输出流导管在沿着电流引线81、82的长度的第一位置87处从罐80分支，并且第二输出流导管86在沿着电流引线的长度比第一位置87更远的第二位置88处从罐80延伸。换句话说，第一位置87沿着电流引线81、82的长度定位在部件73和第二位置88之间，并且第二位置88沿着电流引线的长度定位在第一位置87和电流引线离开壳体71的位置之间。循环回路77还包括可调节阀89，以用于调节来自下部端口99的低温气体的输入流中的变为通过导管86的低温气体的第二输出流的占比。
在图3的实施例中，可调节阀89是第二输出流导管86中的双通可调节阀，以用于调节第二输出流导管中的限流。双通可调节阀89具有延伸穿过壳体71中的密封件91的控制轴90。为了手动调节，控制轴90终止于旋钮92，且温度显示装置93电连接到温度传感器94，该温度传感器在罐80中布置在罐的顶部和用于第二输出流的出口端口的位置88之间。为了进行自动调节，控制轴90由温度控制器响应于温度传感器94进行操作的阀致动器终止，例如图2所示和如上所述。
在图3的实施例中，第二输出流导管86联接到气泵79的入口以将第二输出流从罐80引导到气泵的入口。例如，第二输出流导管86在逆流热交换器96上的分接头95处终止以便减小沿着第二输出流导管的长度的热流。逆流热交换器96对来自第一输出流导管85的低温气体流的阻力提供一定的压降以用于促使低温气体流动通过第二输出流导管86和双通可调节阀89。第二双通可调阀97已插入第一输出流导管85中以提供通过可调节地限制通过第一输出流导管85的低温流体的第一输出流的流动而相对于第一输出流进一步增加低温气体的第二输出流的方式。例如，两个双通可调节阀89和97都是针阀。
在替代布置中，在热交换器90上不使用分接头，而是改为第二输出流导管86离开壳体71，双通可调节阀90位于壳体外部的导管86中，并且通过第一输出流导管85的低温气体的第一输出流在气泵79的入口处与低温气体的第二输出流合并。在大多数情况下，最可行的方式可以是将可调节阀89定位在壳体的外部，原因在于这样免除了控制轴密封件91以及热交换器96上的分接头95。
图4示出了类似于图3的实施例的另一实施例。图4示出的低温系统100包括低温真空室102的壳体101，所述低温真空室包含在罐104中的电气部件或电子部件103。系统100包括双级低温冷却器105，其具有处于低温温度下的第一级冷头106、处于比第一级冷头更冷的温度下的第二级冷头107、以及通向外部环境的散热器108。循环回路109使低温气体循环通过紧固到第一级冷头106的热交换器110。低温气体从热交换器110循环到紧固至第二级冷头107的热交换器111。低温气体通过热交换器111流动到罐104的入口端口112并流入罐，以使低温气体与要冷却到低温温度的部件103直接接触。低温气体随后从罐104的第一上部端口113流出并且流入布置在低温室102的低温环境和外部室温环境之间的逆流热交换器130的第一通道中。低温气体从逆流热交换器130的第一通道流入室温环境中的气泵115。低温气体从气泵115流入逆流热交换器130的第二通道以导流回到第一级冷头106上的热交换器110。
在图4的示例中，逆流热交换器130包括管状部分116，所述管状部分卷绕成螺旋状并且具有终止于相应的三通T型连接接头117、118的两个端部。
为了用诸如氦这样的低温气体对循环回路109进行充气，打开阀121以通过T型连接接头120将低温气体引入回路中。在引入低温气体之前，通过打开通往真空泵123的阀122而将回路109抽真空。吹扫管线124将阀122连接到罐104。
为了将电流供应到电气部件或电子部件103的电流引线131、132的可调节冷却，罐104具有靠近罐的顶部的第二出口端口114。导管134将第二出口端口114连接到逆流热交换器130上的分接头135。在逆流热交换器130中，从第一出口端口113流出的低温气体与从第二出口端口114流出的低温气体相混合以提供来自壳体101的组合输出流。来自壳体101的该组合输出流在气泵115的入口端口处被接收。双通可调节阀136布置在导管134中以用于调节沿着电流引线131、132的低温气流137中的变为来自第二出口端口114的输出流的占比。例如，双通可调节阀136是针阀。
图5更详细地示出了螺旋形逆流热交换器130。在该示例中，管状部分116的螺旋结构包括十匝。在相邻匝之间存在基本均匀的间隙以减少相邻匝之间的热传递。
图6示出了热交换器130的管状部分116包括一对同轴管，其中包括外管141和嵌套在外管141内的内管142。管141、142之间的环形区域143提供通过热交换器130(在图5中是从下部三通T型连接接头117到上部三通T型连接接头118)的一条通道，以用于低温气体从低温系统的壳体流出到壳体外部的气泵(图4中的115)的入口，并且内管142的中心区域144提供通过热交换器(在图5中是从上部三通T型连接接头118到下部三通T型连接接头117)的另一条通道，以用于来自气泵的出口的低温气体的流入。三通T型连接接头117、118提供密封环境，其具有对每个嵌套管141、142的独立通路以用于通过热交换器进行逆流，同时防止这两股逆流的任何混合。三通T型连接接头独立地密封管141、142，同时允许附连到循环回路中的其余部件。
在优选的布置中，两个管141、142的内径被选择为使得两条通道143、144的横截面面积近似相等。例如，外管141是5/16英寸管，而内管142是3/16英寸管。管的总长度被选择为足以将冷端与热端充分地热解耦，并且在气流之间提供充分的热交换。例如，管141、142的总长度为大约六英尺(183cm)。为了紧凑起见，管141、142卷绕成具有2.5英寸(6.4cm)直径的螺旋结构，并且该螺旋结构的高度约为3.5英寸(8.9cm)。
外管141优选由低热导率材料制成。例如，外管141是304型或316型不锈钢，并且具有5/16英寸(8.0mm)的外径和0.035英寸(0.89mm)的壁厚。外管141通过其厚度提供机械强度，以便当低温室被抽空时容纳低温气体，并且保持螺旋形逆流热交换器130的形状。内管142应当是导热的并且应当具有尽可能薄同时保持结构完整性的壁，从而最大化两条通道143、144之间的热传递并且最小化沿着管的长度的热传递。用于内管142的合适材料是铜。例如，内管142是具有3/16英寸(4.8mm)的外径和0.028英寸(0.71mm)的壁厚的标准铜管。更高纯度的铜例如电解韧铜(ETP)或无氧高导性(OFHC)铜可以用于提供更高的热导率，特别是在较低的低温温度下。
穿越高热导率的内管142的薄壁的低温气体的逆流之间的热传递允许在沿着内管142的长度的任何指定点处的逆流中的温度均衡。同时，内管142和外管141的总长度与外管141的低热导率和内管的薄壁的组合避免了从热交换器130的热端到冷端的温度均衡。三通连接接头117、118确保逆流不会混合或泄漏到低温室中或者确保逆流不会混合或泄漏到室温外部环境中。
螺旋结构的最小实际直径主要由外管的最小弯曲直径确定。管的最小弯曲直径是弯曲段的最小直径，其可以通过在不具有管塌陷的情况下围绕匹配的圆柱形开槽弯曲器模具卷绕管而实现。例如，标准5/16英寸(8.0mm)钢或不锈钢管的最小弯曲直径为1又7/8英寸(4.8cm)。
三通T型连接接头包括中心体145和三个管状臂146、147、148。管状臂146、147、148中的每一个限定相应的端口。两个臂146、147是“T”形连接结构的相对臂，另一个臂148是“T”形连接结构的基部。最初，均匀直径的圆柱形腔孔在T形连接结构的相对臂之间穿过中心体145，并且该腔孔与来自臂148的腔孔150成直角地交叉。内管142具有与这些腔孔的直径相匹配的外径。臂146中的初始腔孔通过钻孔扩大到刚好超过“T”形连接结构的交叉点以在臂146中提供接收热交换器130的管状部分116的腔孔149。腔孔149具有与外管141的内径相等的直径以延伸通道143，以用于使低温气体流动通过腔孔150和通过臂148的端口。第二通道144一直延伸到臂147的端口，以用于使低温气体流动通过臂147的端口。
如图6所示，外管141例如通过焊缝、钎焊合金接缝或者锡焊接缝151在外部附连到臂146。内管142例如通过焊缝、钎焊合金接缝或者锡焊接缝152在内部附连到臂147。外管141和内管142以类似方式附连到上部三通T型接头(图3中的118)。三通T型接头117、118可以由通过俄亥俄州索伦市(Solon)的Swagelok公司出售的牌T型接头制成，例如1/4英寸活接三通接头，其零件编号为SS-400-3或者SS-4-VCR-T。在该情况下，对于每个接头，未附连到外管141的接头的两个端部可以使用标准的旋拧管连接器或金属垫片接头连接到循环回路的其它部件。每个接头的这两个端部也可以被焊接、钎焊或锡焊到循环回路的其它部件，或者每个接头的这两个端部可以设有用于连接到循环回路的其它部件的定制端子。
三通T型接头117、118可以在围绕圆柱形开槽弯曲器模具卷绕管状部分116以形成螺旋结构之前或者之后附连到管状部分116的外管和内管141、142。在将管状部分116卷绕成螺旋结构之前将三通接头117、118附连到管状部分116可以得到外管141和内管142之间的更加同心的关系。
在图4的低温系统的具体示例中，电气部件或电子部件103是连接在铜电流引线131、132之间的超导接线的样品。壳体101的高度约为25厘米、宽度为30厘米且深度为20厘米。内部低温真空室102中的部件用超绝缘材料包裹。样品的长度约为四厘米。样品和接至样品的电流引线通过与经过罐104并在循环回路109中循环的氦气流直接接触而进行冷却。
双级低温冷却器105是由宾西法尼亚州阿伦敦市(Allentown)的Sumitomo(SHI)Cryogenics of America公司出售的SHI CH-204 10K型低温冷却器。SHI CH-204型低温冷却器在没有负载的情况下应当在第二级冷头107处具有约9-10K的基本温度，并且在20K的温度下具有约7瓦的冷却能力。第一级热交换器110具有围绕第一级冷头106的螺旋路径，而第二级热交换器111具有在第二级冷头107下方的曲折路径。
气泵115是由新泽西州特伦顿市(Trenton)的KNF Neuberger公司销售的型号为KNF N022AN.18的室温隔膜泵。循环回路109被真空吹扫并且随后充入超过大气压约0.3巴的氦气。在10-15升每分钟的流速下，气泵109上的氦气压差约为0.1-0.2巴(1.5-3psi)。
本文中提供了许多示例以加强对本公开的理解。以下提供了具体的示例集合。
在第一示例中，公开一种低温系统，其包括：用于包含待冷却部件的低温室的壳体，所述待冷却部件具有从所述待冷却部件延伸到更温暖环境的长形导热结构；所述低温室中的冷源；以及循环回路，所述循环回路用于在所述冷源和所述低温室中的所述待冷却部件之间循环低温流体，其中所述循环回路包括：流路导管，所述流路导管用于沿着从所述待冷却部件延伸的所述长形导热结构的长度引导低温流体的输入流；在沿着所述长形导热结构的长度的第一位置处从所述流路导管分支的第一输出流导管，所述第一输出流导管用于引导低温流体的第一输出流返回所述冷源；在第二位置处从所述流路导管延伸的第二输出流导管，所述第二输出流导管用于引导低温流体的第二输出流返回所述冷源；以及联接到所述第一输出流导管和所述第二输出流导管中的至少一个输出流导管的至少一个可调节阀，所述可调节阀用于调节低温流体的输入流中的变为低温流体的第二输出流的占比。
在第二示例中，公开一种根据前述第一示例的低温系统，其中所述至少一个可调节阀包括三通可调节阀，其具有：连接到所述第一输出流导管以用于接收低温流体的第一输出流的第一端口；连接到所述第二输出流导管以用于接收低温流体的第二输出流的第二端口；以及用于排出低温流体的组合流的第三端口。
在第三示例中，公开一种根据前述第二示例的低温系统，其中所述循环回路包括在所述低温室中的低温泵，并且所述低温系统还包括将所述可调节阀的第三端口连接到所述低温泵的入口的导管，以用于将低温流体的组合流输送到所述低温泵的入口。
在第四示例中，公开一种根据前述第一示例的低温系统，其中所述至少一个可调节阀包括在所述第一输出流导管和所述第二输出流导管中的一个输出流导管中的双通可调节阀，所述双通可调节阀用于对通过所述第一输出流导管和所述第二输出流导管中的所述一个输出流导管的低温流体的流动提供可调节的限流。
在第五示例中，公开一种根据前述第四示例的低温系统，其中所述双通可调节阀是针阀。
在第六示例中，公开一种根据前述第一示例的低温系统，其中所述至少一个可调节阀包括：在所述第一输出流导管中的第一双通可调节阀，所述第一双通可调节阀用于对低温流体的第一输出流的流动提供可调节的限流；以及在所述第二输出流导管中的第二双通可调节阀，所述第二双通可调节阀用于对低温流体的第二输出流的流动提供可调节的限流。
在第七示例中，公开一种根据前述第六示例的低温系统，其中所述双通可调节阀是针阀。
在第八示例中，公开一种根据前述第一、第二、第四、第五、第六或第七示例中任一示例的低温系统，其中所述循环回路包括：在所述壳体的外部的气泵；以及联接在所述第一输出流导管和所述气泵之间的逆流热交换器，所述逆流热交换器用于将流出的低温流体通过所述逆流热交换器从所述第一输出流导管引导到所述气泵的入口，并且所述逆流热交换器还联接在所述气泵和所述冷源之间以用于将流出的低温流体从所述气泵的出口引导到所述冷源，并且所述第二输出流导管联接到所述气泵的入口以将低温流体的第二输出流引导到所述气泵的入口。
在第九示例中，公开一种根据前述第八示例的低温系统，其中所述第二输出流导管在所述逆流热交换器上的分接头处终止。
在第十示例中，公开一种根据前述第一至第九示例中任一示例的低温系统，其还包括用于感测所述长形导热结构的温度的温度传感器。
在第十一示例中，公开一种根据前述第十示例的低温系统，其还包括：机械地联接到所述可调节阀的阀致动器，所述阀致动器用于自动调节所述可调节阀；以及电联接到所述温度传感器并且电联接到所述阀致动器的温度控制器，所述温度控制器用于自动控制所述可调节阀以将感测温度维持在温度设定点。
在第十二示例中，公开一种根据前述第十或第十一示例的低温系统，其中所述温度传感器在所述低温室中位于沿着所述长形导热结构的长度介于所述第二位置和沿着所述长形导热结构更远离所述待冷却部件的位置之间的位置处。
在第十三示例中，公开一种在低温系统中冷却长形导热结构的方法，所述低温系统包括：包含部件的低温室的壳体，所述长形导热结构从所述部件延伸到更温暖环境；所述低温室中的冷源；以及在所述冷源和所述低温室中的所述部件之间循环低温流体的循环回路，所述方法包括：沿着从所述部件延伸的所述长形导热结构的长度引导来自所述冷源的低温流体的输入流；以及沿着所述长形导热结构的长度将低温流体流分流成在沿着所述长形导热结构的长度的第一位置处从所述长形导热结构的长度分支离开的低温流体的第一输出流、以及在沿着所述长形导热结构的长度比所述第一位置更远的第二位置处从所述长形导热结构的长度离开的低温流体的第二输出流；以及调节可调节阀以调节低温流体的输入流中的变为低温流体的第二输出流的占比。
在第十四示例中，公开一种根据前述第十三示例的方法，其还包括感测所述长形导热结构的温度，并且调节所述可调节阀以将感测温度维持在温度设定点。
在第十五示例中，公开一种根据前述第十四示例的方法，其中感测温度是对所述长形导热结构在所述第二位置处的温度的响应。
在第十六示例中，公开一种根据前述第十四或第十五示例的方法，其中感测温度是沿着所述长形导热结构布置在介于所述第二位置和沿着所述长形导热结构更远离所述部件的位置之间的位置处的温度传感器的温度。
在第十七示例中，公开一种根据前述第十四至第十六示例中任一示例的方法，其中所述可调节阀布置在所述低温室中，并且所述低温系统包括在所述低温室的外部的控制旋钮以及将所述控制旋钮机械地连接到所述可调节阀的控制轴，并且手动调节所述控制旋钮以调节所述可调节阀。
在第十八示例中，公开一种根据前述第十七示例的方法，其中所述低温系统包括感测所述长形导热结构的温度的温度传感器、以及用于显示由温度传感器感测的温度的显示装置，并且所述方法包括响应于观察由温度传感器感测的温度的显示而手动调节所述控制旋钮。
在第十九示例中，公开一种根据前述第十四至第十六示例中任一示例的方法，其中所述低温系统还包括：机械地联接到所述可调节阀的阀致动器，所述阀致动器用于自动调节所述可调节阀；以及电联接到所述温度传感器并且电联接到所述阀致动器的温度控制器，所述温度控制器用于自动控制所述可调节阀，并且所述方法包括操作所述温度控制器以将感测温度维持在温度设定点。
在第二十示例中，公开一种根据前述第十三至第十九示例中任一示例的方法，其中所述长形导热结构包括在所述部件和所述壳体的外部环境之间承载电流的电流引线，所述电流引线包括从所述部件延伸且包含在所述壳体内的超导体段，并且超导体具有转变温度，低于所述转变温度则所述超导体变为超导，并且所述方法包括调节所述可调节阀以将所述超导体段的最高温度维持在恰好低于所述转变温度。
上述各种实施例仅作为示例给出并且不应当解读为限制本公开的范围。因此，既未图示也未描述许多这样的细节。尽管连同本公开的结构和功能的细节在内，在前面的说明内容中已经阐述了本技术的许多特征和优点，但本公开仅仅是示例性的，并且可以在本公开的原理以内并且在所附权利要求中使用的术语的宽泛的一般含义所指示的完整范围内，在细节方面(特别是在部件的形状、尺寸和布置方面)进行变型。因此应当领会，可以在所附权利要求的范围内修改上述实施例。权利要求用语中引用的一个集合中的“至少一个”应表示该集合中满足该权利要求的一个成员或者多个成员。

Claims (20)

1.一种低温系统，其包括：
用于包含待冷却部件的低温室的壳体，所述待冷却部件具有从所述待冷却部件延伸到更温暖环境的长形导热结构；
所述低温室中的冷源；以及
循环回路，所述循环回路用于在所述冷源和所述低温室中的所述待冷却部件之间循环低温流体，其中，所述循环回路包括：流路导管，所述流路导管用于沿着从所述待冷却部件延伸的所述长形导热结构的长度引导低温流体的输入流；在沿着所述长形导热结构的长度的第一位置处从所述流路导管分支的第一输出流导管，所述第一输出流导管用于引导低温流体的第一输出流返回所述冷源；在第二位置处从所述流路导管延伸的第二输出流导管，所述第二输出流导管用于引导低温流体的第二输出流返回所述冷源；以及联接到所述第一输出流导管和所述第二输出流导管中的至少一个输出流导管的至少一个可调节阀，所述至少一个可调节阀用于调节低温流体的输入流中的变为低温流体的第二输出流的占比。
2.根据权利要求1所述的低温系统，其中，所述至少一个可调节阀包括三通可调节阀，所述三通可调节阀具有：连接到所述第一输出流导管以用于接收低温流体的第一输出流的第一端口；连接到所述第二输出流导管以用于接收低温流体的第二输出流的第二端口；以及用于排出低温流体的组合流的第三端口。
3.根据权利要求2所述的低温系统，其中，所述循环回路包括在所述低温室中的低温泵，并且所述低温系统还包括将所述可调节阀的第三端口连接到所述低温泵的入口的导管，以用于将低温流体的组合流输送到所述低温泵的入口。
4.根据权利要求1所述的低温系统，其中，所述至少一个可调节阀包括在所述第一输出流导管和所述第二输出流导管中的一个输出流导管中的双通可调节阀，所述双通可调节阀用于对通过所述第一输出流导管和所述第二输出流导管中的所述一个输出流导管的低温流体的流动提供可调节的限流。
5.根据权利要求4所述的低温系统，其中，所述双通可调节阀是针阀。
6.根据权利要求1所述的低温系统，其中，所述至少一个可调节阀包括：在所述第一输出流导管中的第一双通可调节阀，所述第一双通可调节阀用于对低温流体的第一输出流的流动提供可调节的限流；以及在所述第二输出流导管中的第二双通可调节阀，所述第二双通可调节阀用于对低温流体的第二输出流的流动提供可调节的限流。
7.根据权利要求6所述的低温系统，其中，所述双通可调节阀是针阀。
8.根据权利要求1或权利要求2或权利要求4或权利要求5或权利要求6或权利要求7所述的低温系统，其中，所述循环回路包括：在所述壳体的外部的气泵；以及联接在所述第一输出流导管和所述气泵之间的逆流热交换器，所述逆流热交换器用于将流出的低温流体通过所述逆流热交换器从所述第一输出流导管引导到所述气泵的入口，并且所述逆流热交换器还联接在所述气泵和所述冷源之间以用于将流出的低温流体从所述气泵的出口引导到所述冷源，并且所述第二输出流导管联接到所述气泵的入口以将低温流体的第二输出流引导到所述气泵的入口。
9.根据权利要求8所述的低温系统，其中，所述第二输出流导管在所述逆流热交换器上的分接头处终止。
10.根据权利要求1至7中任一项所述的低温系统，其还包括用于感测所述长形导热结构的温度的温度传感器。
11.根据权利要求10所述的低温系统，其还包括：机械地联接到所述可调节阀的阀致动器，所述阀致动器用于自动调节所述可调节阀；以及电联接到所述温度传感器并且电联接到所述阀致动器的温度控制器，所述温度控制器用于自动控制所述可调节阀以将感测温度维持在温度设定点。
12.根据权利要求10所述的低温系统，其中，所述温度传感器在所述低温室中位于沿着所述长形导热结构的长度介于所述第二位置和沿着所述长形导热结构更远离所述待冷却部件的位置之间的位置处。
13.一种在低温系统中冷却长形导热结构的方法，所述低温系统包括：包含部件的低温室的壳体，所述长形导热结构从所述部件延伸到更温暖环境；所述低温室中的冷源；以及在所述冷源和所述低温室中的所述部件之间循环低温流体的循环回路，所述方法包括：
沿着从所述部件延伸的所述长形导热结构的长度引导来自所述冷源的低温流体的输入流；以及
沿着所述长形导热结构的长度将低温流体流分流成在沿着所述长形导热结构的长度的第一位置处从所述长形导热结构的长度分支离开的低温流体的第一输出流、以及在沿着所述长形导热结构的长度比所述第一位置更远的第二位置处从所述长形导热结构的长度离开的低温流体的第二输出流；以及
调节可调节阀以调节低温流体的输入流中的变为低温流体的第二输出流的占比。
14.根据权利要求13所述的方法，其还包括感测所述长形导热结构的温度，并且调节所述可调节阀以将感测温度维持在温度设定点。
15.根据权利要求14所述的方法，其中，感测温度是对所述长形导热结构在所述第二位置处的温度的响应。
16.根据权利要求14或15所述的方法，其中，感测温度是沿着所述长形导热结构布置在介于所述第二位置和沿着所述长形导热结构更远离所述部件的位置之间的位置处的温度传感器的温度。
17.根据权利要求14或15所述的方法，其中，所述可调节阀布置在所述低温室中，并且所述低温系统包括在所述低温室的外部的控制旋钮以及将所述控制旋钮机械地连接到所述可调节阀的控制轴，并且手动调节所述控制旋钮以调节所述可调节阀。
18.根据权利要求17所述的方法，其中，所述低温系统包括感测所述长形导热结构的温度的温度传感器，以及用于显示由所述温度传感器感测的温度的显示装置，并且所述方法包括响应于观察由所述温度传感器感测的温度的显示而手动调节所述控制旋钮。
19.根据权利要求14或15所述的方法，其中，所述低温系统还包括：机械地联接到所述可调节阀的阀致动器，所述阀致动器用于自动调节所述可调节阀；以及电联接到所述温度传感器并且电联接到所述阀致动器的温度控制器，所述温度控制器用于自动控制所述可调节阀，并且所述方法包括操作所述温度控制器以将感测温度维持在温度设定点。
20.根据权利要求13至15中任一项所述的方法，其中，所述长形导热结构包括在所述部件和所述壳体的外部环境之间承载电流的电流引线，并且所述电流引线包括从所述部件延伸且包含在所述壳体内的超导体段，并且超导体具有转变温度，低于所述转变温度则所述超导体变为超导，并且所述方法包括调节所述可调节阀以将所述超导体段的最高温度维持在恰好低于所述转变温度。
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