技术领域
[0001] 本发明属于极低温物理领域，具体涉及一种变温制冷机及其调控方法。
相关背景技术
[0002] 在凝聚态物理科研中，通常需要基于制冷机，创造从mK温区到室温温区的实验环境，为诸如物性测量等实验创造条件。
[0003] 现有的变温技术主要是基于稀释制冷机循环，通过不同运行模式的切换，辅助于加热实现。即：1)1K以下温区，在稀释制冷模式下辅助加热实现；2)1‑4K温区，收部分混合气，保持液面在混合室，在液氦减压制冷模式下，辅助加热实现；3)4‑300K温区，收气或保留少量循环气，辅助加热器模式实现。
[0004] 上述变温技术在具体的实现过程中，又有两种常见的手段。一种是借助稀释制冷插杆。另一种不利用插杆，而是借助稀释制冷循环和辅助气路循环组合运行。
[0005] 现有变温技术的缺点在于：不同工作模式对应不同的气路循环和制冷方式，其实无法连续切换；升温和再降温的过程需要部分收气和再液化，耗费时间，操作不便。
具体实施方式
[0077] 下面结合附图，通过具体的实施例进一步说明本发明，但是，应当理解为，这些实施例仅仅是用于更详细具体地说明之用，而不应理解为用于以任何形式限制本发明。
[0078] 本部分对本发明试验中所使用到的材料以及试验方法进行一般性的描述。虽然为实现本发明目的所使用的许多材料和操作方法是本领域公知的，但是本发明仍然在此作尽可能详细描述。本领域技术人员清楚，在上下文中，如果未特别说明，本发明所用材料和操作方法是本领域公知的。
[0079] 实施例1
[0080] 本实施例用来说明本发明的变温制冷机及调控方法。
[0081] 图1示出了本发明可实现大温区变温的制冷机内部原理示意图。其中，所述变温制冷机包括：稀释制冷机的室温法兰1，其内表面温度接近室温；稀释制冷机的第一级冷盘2，可实现约40K的温度；稀释制冷机的第二级冷盘3，可实现约3K的温度；稀释制冷机的蒸发室(Still)冷盘4，可实现约0.7K的温度；稀释制冷机的中间级(ICP)冷盘5，可实现约100mK的温度；稀释制冷机的混合室(MC)冷盘6，可实现约10mK的温度；混合室变温冷盘7；中间级变温冷盘8；蒸发室变温冷盘9；第二级变温冷盘10；第一级变温冷盘11；第一级变温冷盘间热开关12；第二级变温冷盘间热开关13；蒸发室变温冷盘间热开关14；中间级变温冷盘间热开关15；混合室变温冷盘间热开关16；混合室变温冷盘和混合室制冷机冷盘间热开关17；中间级变温冷盘和中间级制冷机冷盘间热开关18；蒸发室变温冷盘和蒸发室制冷机冷盘间热开关19；第二级变温冷盘和第二级制冷机冷盘间热开关20；第一级变温冷盘和第一级制冷机冷盘间热开关21；连接小型机械制冷机冷头和稀释制冷机第一、二级冷盘的铜软连接22；小型机械制冷机23；蒸发室制冷机热开关24；中间级制冷机热开关25；混合室制冷机热开关26；第一级加热器27；第二级加热器28；蒸发室加热器29；中间级加热器30；混合室加热器
31；布置在第一级变温冷盘的加热器32。
[0082] 1、本发明在现有的稀释制冷机每一级，都设置可变温冷盘。在给定特定温区的变温需求后，通过将可变温冷盘与目标接近的冷盘建立热连接，辅助于一定的加热功率，实现变温和控温。同时，只要保证在特定温区的热负载不超过原有稀释制冷机冷盘的制冷功率，就可以保证变温过程不影响稀释制冷机的正常运行，不需要额外的收放气处理。
[0083] 2、所述变温冷盘，在结构上与原有稀释制冷机冷盘相互分离，仅通过热开关进行连接。不同级的可变温冷盘之间同样采用热开关进行连接。同时，最高温区的可变温冷盘与稀释制冷机室温法兰也通过热开关进行连接。为减小可变温冷盘对稀释制冷机冷盘的辐射漏热，需要保证：可变温冷盘与同级的稀释制冷机冷盘在高度上平齐；可变温冷盘表面需做光滑处理，以减小其表面发射率。同时，可变温冷盘的面积大小需要根据热容进行计算设计，原则上在保证结构功能实现的前提下，温区越高，面积越小。
[0084] 3、所述热开关，能够在所需温区实现可靠的热连接及热绝缘。可选的热开关类型有：机械热开关、气隙热开关。每个热开关要能够单独控制其闭合(ON状态)和断开(OFF状态)状态。系统内的热开关能够单独或组合运行。其中，气隙热开关能够通过设计，控制其断开(OFF状态)热导。本实施例所使用的是气隙热开关。
[0085] 4、可变温冷盘的大范围变温主要依靠与原有稀释制冷机各级冷盘建立热连接和热绝缘，与此同时，对温度更加精细的调节和控制，则依靠布置在系统内的加热器实现。不同冷盘上安装的加热器可以提供不同量级的加热功率。
[0086] 5、为了防止高温区控温对稀释制冷机的第一、二级冷盘造成过大的热负载，本发明提出，可以在原有稀释制冷机配置的基础上，额外增加一个小型机械制冷机冷头，用于维持稀释制冷机一二级冷盘的温度。
[0087] 本实施例使用一台400微瓦的中型功率稀释制冷机，稳态运行时混合室冷盘可实现10mK最低温。基于此台设备，具体实施方案如下：
[0088] 以稀释制冷机稳态运行作为初始状态。此时，12‑16，17‑21所示的热开关均处于理想的OFF状态。以此为基础，进行变温，调控策略如表2所示。
[0089] 表2.制冷机变温调控策略
[0090]
[0091] 若再次降温，只需恢复相应的开关配置即可。
[0092] 本发明可以在不影响原有稀释制冷循环的前提下，实现mK及温区到室温温区的大范围变温。只要保证在特定温区的热负载不超过原有稀释制冷机冷盘的制冷功率，就可以保证变温过程不影响稀释制冷机的正常运行，不需要额外的收放气处理。同时，为了防止高温区控温对稀释制冷机的第一、二级冷盘造成过大的热负载，本发明也提出，可以在原有稀释制冷机配置的基础上，额外增加一个小型机械制冷机冷头，用于维持稀释制冷机一二级冷盘的温度。
[0093] 虽然以上仅示出了一个具体实施例的方案及效果，但所属领域技术人员应当理解，根据本发明的构思，未具体示出效果的前述其他实施例或未示出于实施例的其他本发明的技术方案，也同样能达到与实施例相当的在发明内容部分申明的以下技术效果：
[0094] 1、现有技术通过多种气路循环和制冷方式切换、组合运行，升温和再降温的过程需要部分收气和再液化，耗费时间，操作不便；本发明所提方案，仅仅通过热开关的切换，就可以实现大温区变温，不影响稀释制冷循环的运行，无需收气和再液化，操作简单方便。
[0095] 2、现有技术在高温区通过氦气循环来进行变温(对流换热)；本发明所提方案，依靠热开关将可变温冷盘与稀释制冷机各级冷盘间之间建立热连接(热传导)，将有望实现更高的控温精度。
[0096] 尽管本发明已进行了一定程度的描述，明显地，在不脱离本发明的精神和范围的条件下，可进行各个条件的适当变化。可以理解，本发明不限于所述实施方案，而归于权利要求的范围，其包括所述每个因素的等同替换。
