КОНСТРУКЦИЯ ТЕПЛОВОГО ВЫКЛЮЧАТЕЛЯ С ГАЗОВЫМ ЗАЗОРОМ Российский патент 2024 года по МПК F25B9/10 

ОБЛАСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Настоящее изобретение относится к криогенной системе охлаждения и способу работы этой системы.

ПРЕДПОСЫЛКИ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Криогенные системы обычно состоят из множества ступеней, заключенных в вакуумную камеру, которые поддерживаются при разных температурах во время работы системы в установившемся режиме. Чтобы облегчить охлаждение от комнатной температуры до низкой температуры, желательно иметь возможность термически связать ступени во время процесса охлаждения и термически изолировать ступени во время работы в установившемся режиме. Для достижения этого могут быть использованы тепловые выключатели. Например, тепловые выключатели с газовым зазором могут управляться для передачи или изолирования тепловой нагрузки от одного конца выключателя к другому.

Тепловые выключатели с газовым зазором содержат два проводника, которые отделены друг от друга внутри камеры, в которую может быть введен газ. Когда переключатель замкнут, газ внутри камеры способствует передаче тепла между проводниками за счет проводимости. Выключатель размыкается путем откачки газа из камеры, так что этот путь теплопередачи является больше недоступным. Теплопроводимость камеры, содержащей проводники, является низкой по сравнению с теплопроводимостью проводников при рабочей температуре системы. Таким образом, тепловой выключатель с газовым зазором можно считать «замкнутым», когда теплопроводимость между двумя проводниками превышает теплопроводимость камеры. В «разомкнутом» состоянии, теплопроводимость определяется геометрией, материалом и температурой камеры, и является на порядки величины ниже, чем теплопроводимость в «замкнутом» состоянии. Размыканием и замыканием выключателя можно управлять с использованием сорбционного насоса. Когда температура насоса падает ниже пороговой температуры перехода, сорбционный насос поглощает молекулы газа из выключателя, тем самым размыкая выключатель. И наоборот, когда температура насоса поднимается выше этой температуры перехода, насос десорбирует эти молекулы газа, чтобы снова ввести их в камеру и замкнуть выключатель.

Во время процесса охлаждения системы от комнатной температуры до криогенных температур тепловые выключатели с газовым зазором обычно остаются замкнутыми, чтобы обеспечить передачу тепла между каждой ступенью. Однако, как только сорбционный насос остынет ниже температуры перехода, выключатель разомкнется, чтобы практически термически изолировать ступени, которые подсоединены к противоположным концам выключателя. Это может дать возможность каждой ступени, затем получить другую температуру при продолжении работы системы.

Понятно, что сорбционные насосы облегчают автоматическое управление тепловым выключателем с газовым зазором без необходимости использования специальных насосных линий и сопутствующего оборудования. Таким образом, сорбционные насосы могут уменьшить сложность системы и повысить ее производительность. Однако системы уровня техники, включающие такие сорбционные насосы, также обычно ограничены с точки зрения их возможных режимов работы. Например, может оказаться невозможным поднять температуру отдельной ступени системы выше пороговой температуры сорбционного насоса без десорбции газа из сорбционного насоса. Это может привести к переходу выключателя в замкнутое состояние, что влияет на производительность системы и ограничивает потенциальные температуры, которые могут быть достигнуты на каждой стадии. Изобретение разработано в контексте решения этой проблемы.

СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Первый аспект изобретения обеспечивает криогенную систему охлаждения, содержащую: охлаждаемую пластину, термически связанную с криогенным холодильником; целевой узел, причем целевой узел содержит целевой холодильник, выполненный с возможностью получения более низкой базовой температуры, чем криогенный холодильник; узел теплового выключателя, содержащий один или более тепловых выключателей с газовым зазором, причем узел теплового выключателя имеет первый конец, термически связанный с охлаждаемой пластиной, и второй конец, термически связанный с целевым узлом; и сорбционный насос, выполненный с возможностью управления теплопроводностью через узел теплового выключателя в соответствии с температурой сорбционного насоса, причем сорбционный насос термически связан с криогенным холодильником посредством тепловой связи, простирающейся от охлаждаемой пластины к узлу теплового выключателя, причем сорбционный насос расположен в положении вдоль тепловой связи между узлом теплового выключателя и охлаждаемой пластиной.

Тепловая связь, предпочтительно, обеспечивает тепловое соединение между охлаждаемой пластиной и сорбционным насосом, которое является независимым от узла теплового выключателя. Это позволяет лучше контролировать температуру сорбционного насоса и, следовательно, теплопроводность узла теплового выключателя. Например, криогенный холодильник может быть использован для поддержания температуры сорбционного насоса ниже температуры одного или более тепловых выключателей с газовым зазором, к которым подсоединен сорбционный насос. Следовательно, возможно повысить температуру целевого узла без непреднамеренного нагрева сорбционного насоса, что в противном случае могло бы привести к переходу узла теплового выключателя из разомкнутого состояния в замкнутое состояние. Поэтому возможны новые режимы работы криогенной системы. Например, температура целевого узла может быть выше температуры охлаждаемой пластины. Кроме того, поскольку узел теплового выключателя может поддерживаться в разомкнутом состоянии во время нагрева целевого узла, этот нагрев целевого узла не влияет на температуру охлаждаемой пластины.

Понятно, что сорбционный насос обычно выполнен с возможностью замыкания одного или более тепловых выключателей с газовым зазором узла теплового выключателя в ответ температуру сорбционного насоса, превышающую номинальную температуру перехода. Номинальная температура перехода может зависеть от применения, например, от выбора рабочей текучей среды в тепловом выключателе с газовым зазором и адсорбирующего материала, однако обычно она составляет от 4 до 30 градусов Кельвина, а предпочтительно от 15 до 25 градусов Кельвина. Как обсуждалось ранее, разомкнутое состояние теплового выключателя с газовым зазором соответствует состоянию, в котором газ практически или полностью удален из теплового выключателя с газовым зазором, чтобы существенно снизить теплопроводимость между первым и вторым концами узла теплового выключателя. Наоборот, замкнутое состояние соответствует состоянию, в котором газ содержится внутри теплового выключателя с газовым зазором, и способствует гораздо более высокой теплопроводимости между первым и вторым концами. Тепловая связь, предпочтительно, выполнена так, чтобы сорбционный насос мог поддерживаться ниже номинальной температуры перехода сорбционного насоса во время работы криогенного холодильника. В частности, сорбционный насос, предпочтительно, термически связан с охлаждаемой пластиной, чтобы поддерживать температуру сорбционного насоса ниже номинальной температуры перехода, независимо от температуры целевого узла.

Целевой узел обычно содержит целевой нагреватель, такой как резистивный нагреватель с электрическим управлением. Целевой нагреватель, необязательно, является частью целевого холодильника, например, как это может быть в случае, когда целевой холодильник содержит дистилляционную или смесительную камеру холодильника для разбавления. Целевой узел может содержать целевую пластину, термически связанную с целевым нагревателем и целевым холодильником. Сорбционный насос, предпочтительно, термически связан с охлаждаемой пластиной, чтобы поддерживать температуру сорбционного насоса ниже его номинальной температуры перехода во время работы целевого нагревателя. Упомянутая работа целевого нагревателя может повысить температуру целевого узла выше номинальной температуры перехода сорбционного насоса.

Как объяснялось ранее, даже когда газ удален из теплового выключателя с газовым зазором, работа целевого нагревателя может вызвать передачу тепла вдоль узла теплового выключателя к сорбционному насосу. Сорбционный насос обычно соединяется с узлом теплового выключателя трубопроводом (также называемым капилляром), обеспечивающим гидравлическое сообщение между сорбционным насосом и узлом теплового выключателя. Трубопровод, предпочтительно, образован из материала с низкой теплопроводностью, но он неизбежно обеспечивает тепловое соединение между узлом теплового выключателя и сорбционным насосом. В отсутствие участка тепловой связи, простирающегося между охлаждаемой пластиной и сорбционным насосом, подвод тепла от целевого нагревателя по трубопроводу может вызвать десорбцию газа из насоса, особенно когда один конец самого узла теплового выключателя нагревается выше номинальной температуры перехода сорбционного насоса. Это может привести к нежелательному переходу узла теплового выключателя в замкнутое состояние. Тем не менее, тепловая связь, предпочтительно, обеспечивает, что любое тепло, поступающее от целевого узла к сорбционному насосу, отводится за счет работы криогенного холодильника. Это облегчает работу целевого узла при высоких температурах.

Как правило, криогенный холодильник будет работать непрерывно во время использования криогенной системы. Тем не менее, желательно иметь возможность перевода узла теплового выключателя из разомкнутого состояния в замкнутое состояние с использованием сорбционного насоса. Как обсуждалось, это обычно требует повышения температуры сорбционного насоса выше его номинальной температуры перехода. Поэтому, предпочтительно, чтобы система дополнительно содержала сорбционный нагреватель, выполненный с возможностью локализованного нагрева сорбционного насоса. Например, сорбционный нагреватель может содержать резистивный нагреватель с электрическим приводом, установленный на сорбционном насосе, который может работать так, чтобы поднимать температуру сорбционного насоса выше номинальной температуры перехода. Таким образом, сорбционный нагреватель может быть активирован, как правило, с использованием электрической системы управления с тем, чтобы при необходимости термически связать криогенный холодильник с целевым узлом.

Тепловая связь обычно содержит первый соединительный элемент и второй соединительный элемент, причем первый соединительный элемент простирается между узлом теплового выключателя и сорбционным насосом, а второй соединительный элемент простирается между сорбционным насосом и охлаждаемой пластиной. Первый соединительный элемент обычно содержит трубопровод для подачи газа между сорбционным насосом и одним или более тепловыми выключателями с газовым зазором узла теплового выключателя. Первый соединительный элемент предпочтительно, образован из материала с низкой теплопроводностью и обычно имеет теплопроводимость ниже теплопроводимости второго соединительного элемента. Тем не менее, работа целевого узла при высокой температуре может привести к передаче тепла к сорбционному насосу за счет проводимости вдоль узла теплового выключателя и первого соединительного элемента. Второй соединительный элемент, предпочтительно, обеспечивает теплопроводящий путь, по которому это тепло может отводиться от сорбционного насоса при работе криогенного холодильника. Таким образом, в отличие от первого соединительного элемента, тепловое соединение, образованное вторым соединительным элементом, является «желательным» в том смысле, что оно предотвращает непреднамеренную десорбцию газа из сорбционного насоса.

Хотя желательным является некоторый уровень теплопередачи вдоль второго соединительного элемента, теплопроводимость второго соединительного элемента, предпочтительно, является достаточно низкой, чтобы можно было индивидуально управлять температурой сорбционного насоса. Например, может быть желательным поднять температуру сорбционного насоса выше температуры охлаждаемой пластины за счет работы сорбционного нагревателя. Следовательно, второй соединительный элемент, предпочтительно, образует слабую тепловую связь. Особенно желательно, чтобы второй соединительный элемент имел теплопроводимость от 1 до 50 милливатт на Кельвин, предпочтительно, от 5 до 10 милливатт на Кельвин. Таким образом, сорбционный насос может поддерживаться ниже его номинальной температуры перехода до тех пор, пока не потребуется замкнуть узел теплового выключателя за счет работы сорбционного нагревателя.

Узел теплового выключателя может содержать множество тепловых выключателей с газовым зазором. Например, между охлаждаемой пластиной и целевым узлом могут быть расположены одна или более ступеней, причем каждая ступень термически связана с одним или более тепловыми выключателями с газовым зазором узла теплового выключателя. Каждая упомянутая ступень может быть выполнена с возможностью получения соответствующей базовой температуры во время работы криогенной системы охлаждения. Кроме того, сорбционный насос может быть выполнен с возможностью размыкания и замыкания каждого теплового выключателя с газовым зазором узла теплового выключателя. Альтернативно, каждый тепловой выключатель с газовым зазором узла теплового выключателя может управляться с использованием соответствующего сорбционного насоса, и каждый упомянутый сорбционный насос может быть термически связан с охлаждаемой пластиной посредством тепловой связи. Система может также дополнительно содержать резервуар для газа, гидравлически соединенный с узлом теплового выключателя. Этот резервуар для газа может управляться для подачи заданного количества газа в каждый тепловой выключатель с газовым зазором узла теплового выключателя перед охлаждением системы до криогенных температур.

Система предположительно может быть «мокрой» системой, зависящей от жидких криогенов для охлаждения охлаждаемой пластины. Например, криогенный холодильник может содержать сосуд Дьюара с жидким азотом или гелием. Однако, особенно желательно, чтобы криогенный холодильник был механическим холодильником, выбранным из группы, включающей: холодильник на пульсирующих трубках, холодильник Стирлинга и холодильник Гиффорда-МакМагона, преимущество которых заключается в том, что они не требуют жидких криогенов. Целевой холодильник обычно имеет более низкую охлаждающую способность, чем таковая у криогенного холодильника. Целевой холодильник может включать любой из холодильника с гелием-3, дистилляционной или смесительной камеры холодильника для разбавления или термостата на 1 Кельвин.

Второй аспект изобретения обеспечивает способ работы криогенной системы охлаждения согласно первому аспекту, причем сорбционный насос выполнен с возможностью термического связывания криогенного холодильника с целевым узлом в ответ на температуру сорбционного насоса, превышающую номинальную температуру перехода, причем способ включает следующий этап: (а) повышение температуры целевого узла от первой температуры ниже номинальной температуры перехода до второй температуры выше номинальной температуры перехода; причем сорбционный насос термически связан с криогенным холодильником с использованием тепловой связи с тем, чтобы поддерживать температуру сорбционного насоса ниже номинальной температуры перехода на протяжении этапа (а).

Второй аспект обладает теми же преимуществами, что обсуждались в отношении первого аспекта. Любые из признаков, обсуждаемых в отношении первого аспекта, в равной степени применимы в отношении второго аспекта и наоборот.

Как обсуждалось ранее, криогенная система охлаждения, предпочтительно, дополнительно содержит сорбционный нагреватель, термически связанный с сорбционным насосом. В этом случае, способ дополнительно, предпочтительно, включает следующий этап: (b) эксплуатацию сорбционного нагревателя так, чтобы поднять температуру сорбционного насоса выше номинальной температуры перехода, тем самым термически связывая криогенный холодильник с целевым узлом. Как следует понимать, этап (b) будет выполняться после этапа (а). Работа криогенного холодильника, а затем и целевого холодильника приведет к тому, что стадии системы вернутся к своим соответствующим базовым температурам.

Как правило, желательно, чтобы целевой узел дополнительно содержал целевой нагреватель, и в этом случае этап (а) может выполняться путем эксплуатации целевого нагревателя. После выполнения этапа (а), способ, предпочтительно, дополнительно включает этап уменьшения или исключения тепла, выделяемого целевым нагревателем.

Первая и вторая температуры могут быть выбраны в зависимости от применения, однако, в целом, первая температура обычно ниже 5 градусов Кельвина, а вторая температура обычно выше 20 градусов Кельвина. Вторая температура, предпочтительно, составляет по меньшей мере 30 градусов Кельвина и может составлять по меньшей мере 100 градусов Кельвина.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ

Варианты осуществления изобретения теперь будут описаны со ссылкой на прилагаемые чертежи, на которых:

фиг.1 представляет собой схематичную иллюстрацию криогенной системы охлаждения в соответствии с первым вариантом осуществления изобретения;

фиг.2 представляет собой схематичную иллюстрацию криогенной системы охлаждения в соответствии со вторым вариантом осуществления изобретения;

Фиг.3 представляет собой график, показывающий первый примерный профиль температуры для компонентов криогенной системы охлаждения согласно первому варианту осуществления изобретения во время работы;

Фиг.4 представляет собой график, показывающий второй примерный профиль температуры для компонентов криогенной системы охлаждения согласно первому варианту осуществления изобретения во время работы;

Фиг.5 представляет собой график, показывающий область профиля температуры с фиг.4 между 3,5 и 5,5 часами.

ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ

Первый вариант осуществления криогенной системы охлаждения далее будет описан со ссылкой на фиг.1. Фиг.1 изображает вид в разрезе внутренней части системы охлаждения без криогенов. Система включает в себя множество термических ступеней 1-5 и внешнюю ступень 6, которые образуют многоуровневый узел, в котором ступени выровнены и пространственно распределены вдоль центральной оси. Термические ступени 1-5 содержатся внутри криостата 7, установленного на внешней ступени 6. Криостат 7 обычно вакуумирован при использовании. Внешняя поверхность 8 внешней ступени 6 подвергается воздействию окружающей среды при комнатной температуре и атмосферном давлении и обычно изготовлена из алюминия.

Криогенная система охлаждения содержит охлаждающее устройство, которое охлаждает систему от комнатной температуры до рабочей базовой температуры. Каждая термическая ступень 1-5 образована из материала с высокой теплопроводностью, такого как медь, и имеет различную рабочую базовую температуру. В этом варианте осуществления охлаждение достигается за счет использования механического холодильника и узла для разбавления. Механический холодильник может быть холодильником на пульсирующих трубках (PTR), холодильником Стирлинга или холодильником Гиффорда-МакМагона. В этом варианте осуществления механический холодильник представляет собой PTR 9. PTR 9 содержит первую ступень 10 PTR, термически связанную с первой термической ступенью 1, и вторую ступень 11 PTR, термически связанную с охлаждаемой пластиной в виде второй термической ступени 2. Вместо двухступенчатого PTR 9 (как показано) механический холодильник может альтернативно иметь только одну или более двух охлаждаемых ступеней. В этом варианте осуществления вторая ступень 11 PTR образует самую низкотемпературную ступень PTR 9. Сорбционный насос 22 обычно термически связан с самой низкотемпературной ступенью PTR, как в случае на фиг.1.

Третья термическая ступень 3, четвертая термическая ступень 4 и пятая термическая ступень 5 термически связаны с узлом 12 для разбавления. Третья термическая ступень 3 термически связана с дистиллятором 13, который образует часть узла 12 для разбавления. Пятая термическая ступень 5 термически связана со смесительной камерой 14, узла 12 для разбавления. Охлаждение третьей, четвертой и пятой термических ступеней 3, 4, 5 достигается за счет работы узла для разбавления, в котором рабочая текучая среда циркулирует по контуру 24 охлаждения для снижения температуры. Рабочая текучая среда обычно представляет собой смесь гелия-3 и гелия-4. Рабочая текучая среда прокачивается по контуру 24 охлаждения, который содержит линии 25 конденсации и линии 26 перекачки дистиллятора с использованием компрессорного насоса 27 и турбомолекулярного насоса 28. Рабочая текучая среда может храниться в первом резервуаре 29 для хранения и подаваться в контур 24 охлаждения по линии 30 подачи.

При использовании, каждая из пяти термических ступеней 1-5 выполнена с возможностью достижения различной рабочей базовой температуры. К термическим ступеням 1-5 могут быть прикреплены экраны защиты от теплового излучения, причем каждый экран закрывает каждый из оставшихся компонентов с более низкой базовой температурой, чтобы уменьшить любую нежелательную тепловую передачу между термическими ступенями 1-5. Это позволяет ступеням достигать различных рабочих базовых температур, которые представляют собой самую низкую температуру, достижимую для данного компонента во время устойчивой работы системы. В этом варианте осуществления первая термическая ступень 1 выполнена с возможностью достижения рабочей базовой температуры примерно от 50 до 70 градусов Кельвина, и установлена на первом экране 15 защиты от теплового излучения. Рабочая базовая температура второй термической ступени 2 составляет примерно от 3 до 5 градусов Кельвина. Второй экран 16 защиты от теплового излучения прикреплен ко второй термической ступени 2. Рабочая базовая температура третьей термической ступени 3 составляет примерно от 0,5 до 2 градусов Кельвина. Третий экран 17 защиты от теплового излучения прикреплен к третьей термической ступени 3. Рабочая базовая температура пятой термической ступени 5 составляет примерно от 3 до 30 милликельвин. Четвертая термическая ступень 4 образует промежуточную ступень между третьей и пятой термическими ступенями 3, 5 и имеет рабочую базовую температуру примерно от 50 до 200 милликельвин.

Подобные криогенные системы охлаждения могут быть использованы для проведения измерений при низких температурах. Обычно, образец 35 устанавливается на самую холодную тепловую ступень системы, в данном случае на пятую термическую ступень 5. Узел 12 для разбавления используется для получения температур в милликельвинах на пятой термической ступени 5. Понятно, что при нормальной работе, резистивные нагреватели образуют часть дистилляционной и смесительной камеры. В этом варианте осуществления резистивный нагреватель для смесительной камеры 14 представляет собой целевой нагреватель 36, который термически связан с пятой термической ступенью 5 и может использоваться для нагревания образца 35. Это выгодно облегчает контролируемое измерение температуры образца 35. Целевой нагреватель 36 может быть резистивным нагревателем и может использоваться для повышения температуры пятой термической ступени 5 от рабочей базовой температуры до температуры около 30 градусов Кельвина, как будет описано ниже. В альтернативном варианте осуществления температура пятой термической ступени может быть повышена до более чем 100 градусов Кельвина за счет использования дополнительного целевого нагревателя, термически связанного с пятой термической ступенью и который может быть отделен от смесительной камеры. Температура пятой термической ступени 5 может быть повышена управляемым образом в высокотемпературном режиме работы криогенной системы охлаждения, а затем может быть снова охлаждена до рабочей базовой температуры, как будет описано ниже.

Пятая термическая ступень 5, смесительная камера 14, образец 35 и целевой нагреватель 36 образуют целевой узел 42. Поэтому пятая термическая ступень 5 также упоминается здесь как «целевая пластина». Смесительная камера 14 образует «целевой холодильник», выполненный с возможностью охлаждения целевого узла 42 до более низкой температуры, чем вторая ступень 11 PTR. Узел 18 теплового выключателя обеспечивает селективное термическое соединение между второй термической ступенью 2 и целевым узлом 42. Узел 18 теплового выключателя образован из трех тепловых выключателей 19-21 с газовым зазором. Первый тепловой выключатель 19 с газовым зазором имеет верхний конец, который соединен со второй термической ступенью 2, и нижний конец, который соединен с третьей термической ступенью 3. Второй тепловой выключатель 20 с газовым зазором имеет верхний конец, который соединен с третьей термической ступенью 3, и нижний конец, который соединен с четвертой термической ступенью 4. Третий тепловой выключатель 21 с газовым зазором имеет верхний конец, который соединен с четвертой термической ступенью 4, и нижний конец, который соединен с пятой термической ступенью 5.

Каждый тепловой выключатель с газовым зазором содержит два проводника, которые отделены друг от друга внутри камеры с низкой теплопроводностью, в которую может быть введен проводящий газ. Камера представляет собой кольцевую оболочку, образованную из нержавеющей стали, а в качестве проводящего газа используется гелий. Когда газ удаляется из камеры, выключатель размыкается, и эти термические ступени являются термически изолированными. На практике, тепловой выключатель с газовым зазором имеет теплопроводность, равную теплопроводности камеры в открытом состоянии, что составляет примерно 0,01 Вт см^-1К^-1 при температуре 10 градусов Кельвина. Когда внутри теплового выключателя с газовым зазором имеется проводящий газ, выключатель замыкается, и соответствующие термические ступени, к которым он подсоединен на каждом конце, становятся термически связанными. Теплопроводимость замкнутого выключателя по меньшей мере на два порядка выше, чем у разомкнутого выключателя.

Работа выключателя между разомкнутым и замкнутым состоянием обычно достигается использованием сорбционного насоса и зависит от температуры. Сорбционный насос содержит адсорбирующий материал (обычно активированный уголь или молекулярное сито). Когда температура сорбционного насоса 22 падает ниже пороговой температуры перехода (в этом случае около 20 градусов Кельвина), сорбционный насос 22 поглощает молекулы газа из выключателя, тем самым размыкая выключатель. И наоборот, когда температура сорбционного насоса 22 поднимается выше этой температуры перехода, насос 22 десорбирует эти молекулы газа с тем, чтобы снова ввести их в камеру и замкнуть выключатель. В этом варианте осуществления сорбционный насос 22 оснащен датчиком температуры (не показан) для целей контроля.

Сорбционный насос 22 гидравлически соединен с каждым тепловым выключателем 19-21 с газовым зазором посредством трубопровода, именуемого здесь первым соединительным элементом 45. Помимо облегчения потока газа первый соединительный элемент 45 неизбежно обеспечивает теплопроводящий путь между тепловыми выключателями 19-21 и сорбционным насосом 22. Другая часть сорбционного насоса 22 термически связана со второй термической ступенью 2 посредством второго соединительного элемента 46, который обеспечивает механическую связь между этими компонентами. Второй соединительный элемент может, например, образовывать медную опору для сорбционного насоса 46. В другом варианте осуществления сорбционный насос может быть установлен на второй тепловой ступени с использованием материала с очень низкой теплопроводностью, такого как нержавеющая сталь. В этом случае, термическая связь между сорбционным насосом и второй термической ступенью будет дополнена вторым соединительным элементом, имеющим относительно высокую теплопроводность, таким как один или более медных проводов, простирающихся от сорбционного насоса ко второй термической ступени.

Вместе, первый и второй соединительные элементы 45, 46 образуют тепловую связь между узлом 18 теплового выключателя и второй термической ступенью 2, вдоль которой расположен сорбционный насос 22. Как будет объяснено позже, теплопроводящий путь, обеспечиваемый вторым соединительным элементом 46, является особенно выгодным, поскольку он термически соединяет высокую охлаждающую способность второй ступени 11 PTR с сорбционным насосом 22, так что любое нежелательное тепло, поступающее через первый соединительный элемент 45, может быть отведено от сорбционного насоса 22. При таком расположении, температура целевого узла 42 может быть повышена выше температуры перехода сорбционного насоса 22 без замыкания узла 18 теплового выключателя.

Локализованный источник тепла в виде сорбционного нагревателя 31 термически связан с сорбционным насосом 22, работа которого вызывает десорбцию газа из сорбционного насоса 22. Десорбция газа замыкает тепловые выключатели 19-21 с газовым зазором и термически связывает вторую и пятую термические ступени 2-5. В этом варианте осуществления сорбционный нагреватель 31 представляет собой резистивный нагреватель.

Второй соединительный элемент 46 между сорбционным насосом 22 и второй термической ступенью 2 обеспечивает слабую тепловую связь. Теплопроводимость второго соединительного элемента 46 должна быть достаточно низкой, чтобы обеспечить эффективный нагрев сорбционного насоса 22 сорбционным нагревателем 31. Кроме того, теплопроводимость второго соединительного элемента 46 должна быть достаточно высокой, чтобы обеспечить охлаждение сорбционного насоса 22 посредством PTR 9 в разумные сроки. Например, охлаждение сорбционного насоса от 30 градусов Кельвина до 5 градусов Кельвина займет менее 2 часов, а предпочтительно, менее 30 минут.

Второй резервуар 32 для хранения выполнен с возможностью подачи теплопроводного газа к каждому из тепловых выключателей 19-21 с газовым зазором через линию 33 подачи газа. Подача регулируется работой газового насоса 34 или давлением, прикладываемым вторым резервуаром 32 для хранения. Выбор проводящего газа влияет на температуру перехода теплового выключателя с газовым зазором. В этом примере используется газообразный гелий-4, а температура перехода обычно составляет от 4 до 30 градусов Кельвина, или предпочтительно, от 10 до 20 градусов Кельвина. В других вариантах осуществления могут быть использованы газы гелий-3, водород или неон.

Криогенная система охлаждения с фиг.1 может управляться с использованием системы 37 управления. Система 37 управления управляет каждой из частей системы, включая работу PTR 9, узла для разбавления 12, нагревателей 31, 36, насосов 27, 28, 34 и соответствующих клапанов, мониторинг датчиков и работу другого вспомогательного оборудования для выполнения необходимых процедур. Для этого используется подходящая компьютерная система, хотя предусмотрено и ручное управление.

Фиг.2 представляет собой схематичную иллюстрацию криогенной системы охлаждения согласно второму варианту осуществления. Ссылочные позиции со штрихами используются для обозначения аналогичных признаков устройства. Система содержит множество термических ступеней 1'-4', расположенных аналогично термическим ступеням первого варианта осуществления. Узел 18' теплового выключателя образован двумя тепловыми выключателями 19', 20' с газовым зазором, соединенными со второй, третьей и четвертой термическими ступенями 2'-4'. В этом варианте осуществления четвертая термическая ступень 4' может считаться «целевой пластиной» целевого узла 42', которая может быть термически соединена со второй термической ступенью 2' с использованием узла 18' теплового выключателя. Целевой нагреватель 36′ установлен к четвертой термической ступени 4′.

В этом варианте осуществления узел 18' теплового выключателя предварительно заправлен газообразным гелием-4. Камера, соединяющая узел 18' теплового выключателя и сорбционный насос 22', представляет собой закрытую систему, и, таким образом, при отсутствии каких-либо утечек нет необходимости в линии заполнения газом. В других вариантах осуществления может быть предусмотрено множество сорбционных насосов, и один или более из них могут быть термически связаны со второй термической ступенью 2' с использованием соединительного элемента.

Охлаждение третьей и четвертой термических ступеней 3', 4' достигается с использованием гелиевого холодильника, содержащего первый гелиевый резервуар 40' и второй гелиевый резервуар 41'. Первый гелиевый резервуар 40' термически связан с третьей термической ступенью 3' и выполнен с возможностью содержания жидкого гелия-4, как правило, при рабочей базовой температуре около 1,3 градусов Кельвина. Его также часто называют «термостатом на 1 Кельвин». Второй гелиевый резервуар 41' термически связан с четвертой термической ступенью 4'. Второй гелиевый резервуар 41' образует часть «целевого холодильника» в этом варианте осуществления и выполнен с возможностью содержания жидкого гелия-3, как правило, при рабочей базовой температуре около 0,3 градусов Кельвина. Первый и второй гелиевые резервуары 40', 41' соединены с первым и вторым контурами 38', 39' охлаждения, соответственно, через которые прокачивается гелий. Текучие среды могут храниться во внешних резервуарах 29', 29'' и подаваться из них.

Хотя варианты осуществления с фигур 1 и 2 изображают использование не содержащих криогенов криогенных холодильников 9, 9', альтернативные варианты осуществления вместо этого могут относиться к «мокрым» системам, включающим резервуар с жидкими криогенами для обеспечения охлаждения термической ступени, с которой термически связан сорбционный насос.

Фиг.3 представляет собой график, показывающий изменение температуры во времени во время первого высокотемпературного эксперимента, проведенного с криогенной системой охлаждения согласно первому варианту осуществления изобретения. График иллюстрирует изменение температуры пятой термической ступени 5, второй термической ступени 2 и второй ступени 11 PTR во время высокотемпературного эксперимента. Работа криогенной системы охлаждения во время высокотемпературного эксперимента будет описана ниже со ссылкой на компоненты системы с фиг.1.

Как видно на фиг.3, между истекшим временем от 0 до 6000 секунд, система находится в установившемся режиме работы, причем каждый ее компонент имеет базовую рабочую температуру. В это время, тепловые выключатели 19-21 с газовым зазором являются разомкнутыми, поэтому вторая тепловая ступень 2 термически изолирована от пятой термической ступени 5. Вторая ступень 11 PTR термически связана со второй термической ступенью 2, и это видно по подобию температурного профиля между второй ступенью 11 PTR и второй термической ступенью 2 в течение периода измерения от 0 до 20000 секунд. Пятая термическая ступень 5 термически соединена со смесительной камерой 14, а рабочая текучая среда циркулирует по контуру 24 охлаждения узла 12 для разбавления для обеспечения охлаждения пятой термической ступени 5. Хотя температура пятой термической ступени 5 проиллюстрирована как составляющая около 1,5 градусов Кельвина между истекшим временем от 0 до 6000 секунд, это происходит только потому, что фактическая температура ниже минимальной температуры, достоверно регистрируемой для этого датчика температуры. Фактически, температура пятой термической ступени 5 будет ее рабочей базовой температурой, которая составляет от 3 до 30 милликельвин.

Криогенная система охлаждения переключается из стационарного режима работы в высокотемпературный режим по истечении времени около 6000 секунд. В частности, система 37 управления используется для работы целевого нагревателя 36 для повышения температуры пятой термической ступени 5 до 15 градусов Кельвина. Рабочая текучая среда, которая циркулирует по контуру 24 охлаждения во время работы при установившейся базовой температуре, собирается и хранится в первом резервуаре 29 для хранения во время высокотемпературной работы. Следует отметить, что хотя работа целевого нагревателя 36 вызывает резкое повышение температуры пятой термической ступени 5, температура второй термической ступени 5 и второй ступени 11 PTR практически не возмущается этим нагревом. Это связано с тем, что температура сорбционного насоса 22 поддерживается ниже температуры перехода за счет мощности охлаждения второй ступени 11 PTR, которая термически связана с сорбционным насосом 22 посредством второго соединительного элемента 46. Поддерживая сорбционный насос 22 ниже температуры перехода, тепловые выключатели 19-21 с газовым зазором поддерживаются в разомкнутом состоянии.

По истечении времени около 7500 секунд температура пятой термической ступени 5 поддерживается на уровне 15 градусов Кельвина в течение около 1500 секунд. Преимуществом необязательной высокотемпературной работы криогенной системы охлаждения является возможность снятия измерений, например, для образца 35 в широком диапазоне температур. Криогенная система охлаждения по первому варианту осуществления позволяет операторам повышать температуру целевого узла 42 от температур в милликельвинах до десятков кельвинов управляемым образом, поддерживая причем работу криогенного холодильника. Системы уровня техники обычно не охватывают этот диапазон, и как таковая эта криогенная система охлаждения обеспечивает дополнительную гибкость для снятия измерений при низкой температуре. Подходящие эксперименты, которые следует проводить в диапазоне температур, включают измерения переноса и эксперименты с ячейками давления. Как правило, наряду с контролем температуры, эти эксперименты могут проводиться в зависимости от изменения электрического и магнитного полей. Чтобы иметь возможность проводить повторяемый эксперимент, система должна быть выполнена с возможностью управляемого регулирования температуры образца. Это может потребовать поддержания температуры на выбранном уровне в течение периода времени, в течение которого можно снять измерения образца 35, как приведено на фиг.3.

По истечении времени около 8800 секунд, температура пятой термической ступени 5 повышается до 26 градусов Кельвина, где она поддерживается приблизительно постоянной между 11100 и 12500 секундами. Управление температурой достигается за счет работы целевого нагревателя 36. За это время, несмотря на то, что узел 18 теплового выключателя находится в разомкнутом состоянии, некоторое количество тепла неизбежно будет отводиться по камере тепловых выключателей 19-21 с газовым зазором и первому соединительному элементу 45 к сорбционному насосу 22. В отсутствие второго соединительного элемента 46, это тепло могло бы повысить температуру сорбционного насоса до или выше температуры перехода сорбционного насоса 22 (которая составляет около 20 градусов Кельвина). Следовательно, молекулы газа будут десорбироваться из сорбционного насоса 22, и узел 18 теплового выключателя начнет переходить в замкнутое состояние. Второй соединительный элемент 46, предпочтительно, обеспечивает теплопроводящий путь, вдоль которого это «нежелательное» тепло может быть удалено от сорбционного насоса 22. Это достигается за счет термического соединения сорбционного насоса 22 с высокой мощностью охлаждения, обеспечиваемой второй ступенью 11 PTR. Это предотвращает десорбцию газа и удерживает узел 18 теплового выключателя в разомкнутом состоянии столько времени, сколько требуется.

Чтобы вернуть криогенную систему охлаждения к ее рабочей базовой температуре, сорбционный нагреватель 31 работает по истечении времени около 12500 секунд, так что тепловые выключатели 19-21 замыкаются и термически соединяют вторую термическую ступень 2 с третьей, четвертой и пятой термическими ступенями 3, 4, 5. Целевой нагреватель 36 также отключается. Выключение целевого нагревателя обычно эффективно осуществляется одновременно с работой сорбционного нагревателя. Повышение температуры второй ступени 11 PTR и второй термической ступени 2 между периодом времени 12500 и 14500 секунд является результатом начальной тепловой нагрузки, возложенной на эти компоненты целевым узлом.

Замыкание узла теплового выключателя вызывает быстрое снижение температуры пятой термической ступени 5, что наблюдается между периодом времени 12500 и 14500 секунд. Работа целевого нагревателя прекращается примерно через 12500 секунд, чтобы убрать подвод тепла к целевому узлу и сократить время охлаждения. В этом варианте осуществления сорбционный нагреватель 31 работает так, чтобы поддерживать узел 18 теплового выключателя в замкнутом состоянии до тех пор, пока температура целевого узла не снизится до температуры второй ступени 11 PTR. Это происходит около 14500 секунд. В это время сорбционному насосу 22 дают остыть ниже температуры перехода, чтобы термически изолировать вторую термической ступень 2 от пятой термической ступени 5.

Хотя второй соединительный элемент 46 обеспечивает важное термическое соединение между сорбционным насосом 22 и второй термической ступенью, он сам выполнен имеющим относительно низкую теплопроводимостью за счет выбора материала и геометрии. Например, если используется материал с высокой теплопроводностью, такой как медь, будет выбрано малое отношение площади к длине, чтобы снизить теплопроводимость, а если используется материал с низкой теплопроводностью, такой как нержавеющая сталь или латунь, будет выбрано большее отношение площади к длине. Второй соединительный элемент 46 может иметь теплопроводимость 8 мВт/К при температуре приблизительно 4 градуса Кельвина. Это обеспечивает возможность изменения температуры сорбционного насоса 22 независимо от температуры второй термической ступени 2, как это происходит при работе сорбционного нагревателя 31. Несмотря на низкую теплопроводность, вторая ступень 11 PTR будет охлаждать сорбционный насос 22 ниже его температуры перехода в отсутствие какого-либо нагревающего влияния со стороны сорбционного нагревателя 31. Мощность охлаждения второй ступени 11 PTR обычно превышает 1 Вт при температуре 4 градуса Кельвина. Работа сорбционного нагревателя 31 обычно не приводит к повышению температуры второй термической ступени 2 более чем на 0,2 градуса Кельвина. Однако когда узел 18 теплового выключателя переходит в замкнутое состояние, тепловая нагрузка от пятой термической ступени 5 может привести к дальнейшему повышению температуры второй термической ступени 2, как показано на фиг.3.

Температура сорбционного насоса 22 поддерживается выше его номинальной температуры перехода до тех пор, пока вторая-пятая термические ступени 2-5 не остынут примерно до 5 градусов Кельвина. Система 37 управления используется для контроля температур ступеней и автоматического выключения сорбционного нагревателя 31 и повторного ввода рабочей текучей среды в контур 24 охлаждения на этом этапе. Затем рабочая текучая среда циркулирует через узел 12 для разбавления, продолжая охлаждать третью, четвертую и пятую термические ступени 3, 4, 5 до соответствующих рабочих базовых температур. После выключения сорбционного нагревателя 31, сорбционный насос 22 охлаждается с 33 градусов Кельвина до 5 градусов Кельвина примерно за 0,5 часа.

Фиг.4 представляет собой график, показывающий изменение температуры во времени во время второго высокотемпературного эксперимента, проведенного с криогенной системой охлаждения согласно первому варианту осуществления изобретения. Работа системы практически такая же, как описано в отношении фиг.3. Однако, фиг.4 обеспечивает дополнительные детали температур пятой термической ступени 5, сорбционного насоса 22, второй термической ступени 2, третьей термической ступени 3 и четвертой термической ступени 4 во время этого использования.

В примере с фиг.4 температура пятой термической ступени 5 повышается ступенчато от 0 до 3 часов, так что измерения могут быть получены от целевого узла в каждом температурном интервале. Размер и временные интервалы температурных этапов могут быть определены пользователем системы. В одном варианте осуществления значения могут быть запрограммированы заранее, и высокотемпературный эксперимент может выполняться автоматически с использованием системы 37 управления. Работа целевого нагревателя 36 управляется на основе данных обратной связи, полученных от датчика температуры на пятой термической ступени 5, для достижения желаемого регулирования температуры пятой термической ступени 5. Вторая ступень 11 PTR термически связана со второй термической ступенью 2 и обеспечивает непрерывное охлаждение на протяжении всего способа.

Вскоре после начала эксперимента температура пятой термической ступени поднимается до 5 градусов Кельвина, где она поддерживается в течение приблизительно 0,8 часа. Затем температуру пятой термической ступени 5 снова повышают до 10 градусов Кельвина, где она поддерживается в течение от 0,8 до 1,4 часа. В течение периода около 0,2 часа температура пятой термической ступени 5 повышается до 20 градусов Кельвина, где она поддерживается в течение от 1,6 до 2,2 часов. Затем в течение около 0,6 часа температура пятой термической ступени 5 повышается до 30 градусов Кельвина, и она поддерживается при этой температуре дополнительно 0,8 часа. Опять же, несмотря на повышение температуры целевого узла значительно выше температуры перехода сорбционного насоса 22, температура сорбционного насоса 22 остается ниже температуры перехода из-за охлаждающего влияния второй ступени 11 PTR через второй соединительный элемент 46. Это удерживает узел 18 теплового выключателя в разомкнутом состоянии, и, таким образом, работа целевого нагревателя 36 не влияет на температуру вторых термических ступеней 2. Температура третьей и четвертой термических ступеней 3, 4 не показана на фиг.4 между истекшим временем от 0 до 3,5 часов, поскольку в это время соответствующие датчики температуры были неактивны. Однако ожидается, что третья и четвертая термические ступени 3, 4 останутся в диапазоне 0,5-2,5 градусов Кельвина.

Чтобы инициировать процесс охлаждения после высокотемпературной работы криогенной системы охлаждения, используется система 37 управления для повышения температуры сорбционного насоса 22 приблизительно до 33 градусов Кельвина за счет включения сорбционного нагревателя 31. Это происходит по истечении времени около 3,5 часов, когда также активируются датчики температуры для третьей и четвертой термических ступеней 3, 4. Работа целевого нагревателя 36 прекращается практически одновременно или вскоре после этого, чтобы обеспечить охлаждение пятой термической ступени 5. В другом варианте осуществления целевой нагреватель 36 выключается до повышения температуры сорбционного насоса 22.

Работа сорбционного нагревателя 31 и результирующая тепловая связь между целевым узлом и остальными термическими ступенями быстро повышает температуру каждой из второй, третьей и четвертой термических ступеней 2-4 до максимума примерно 4,5 градуса Кельвина, 14 градусов Кельвина и 18 градусов Кельвина, соответственно, за истекшее время около 3,6 часов. После этого, при замкнутом узле 18 теплового выключателя, температура каждой из этих термических ступеней затем снижается под охлаждающим влиянием второй ступени 11 PTR.

Когда температура каждой из третьей, четвертой и пятой термических ступеней 3, 4, 5 достигает приблизительно 5 градусов Кельвина, сорбционный нагреватель 31 отключается. Затем сорбционный насос 22 охлаждается ниже температуры перехода посредством второй ступени 11 PTR, чтобы перевести узел 18 теплового выключателя в отключенное состояние.

Повышение температуры пятой термической ступени 5, видимое через 4,4 часа, является результатом запуска контура целевого холодильника и начальной конденсации гелиевой смеси обратно в холодильник для разбавления. Как только смесь конденсируется, температура целевого холодильника падает ниже температуры второй ступени 11 PTR. Это приводит к снижению температуры третьей, четвертой и пятой термических ступеней 3, 4, 5, которые термически соединены с узлом 12 для разбавления, до тех пор, пока не будут достигнуты соответствующие рабочие базовые температуры.

Фиг.5 представляет собой график, показывающий температурный профиль между истекшим временем от 3,5 до 5,5 часов для эксперимента, показанного на фиг.4. В отличие от фиг.4, ось Y с фиг.5 показана в логарифмической шкале температур, чтобы более четко показать температуры различных термических ступеней, когда они охватывают несколько порядков величины. Фиг.5 показывает снижение температуры каждого компонента системы по мере того, как она возвращается к соответствующей рабочей базовой температуре.

В заключение следует отметить, что поэтому предлагается усовершенствованная криогенная система охлаждения, причем сорбционный насос термически соединен с криогенным холодильником. Поскольку работа тепловых выключателей с газовым зазором зависит от температуры сорбционного насоса, тепловые выключатели с газовым зазором могут управляемо размыкаться и замыкаться независимо от любого тепла, которое может быть передано сорбционному насосу от узла теплового выключателя. В свою очередь, целевой узел, соединенный с одним концом узла теплового выключателя, может работать при повышенных температурах без повышения температуры остальных ступеней системы.

Предусмотрена криогенная система охлаждения, содержащая: охлаждаемую пластину 2, термически связанную с криогенным холодильником 9, узел теплового выключателя и целевой узел 5. Целевой узел 5 содержит целевой холодильник 12, выполненный с возможностью получения более низкой базовой температуры, чем криогенный холодильник 9. Узел 18 теплового выключателя содержит один или более тепловых выключателей 18 с газовым зазором, причем узел теплового выключателя имеет первый конец, термически связанный с охлаждаемой пластиной 2, и второй конец, термически связанный с целевым узлом 5. Сорбционный насос 22 предусмотрен для управления теплопроводностью через узел 18 теплового выключателя в соответствии с температурой сорбционного насоса 22. Сорбционный насос 22 термически связан с криогенным холодильником 9 тепловой связью 46, простирающейся от охлаждаемой пластины 2 к узлу 18 теплового выключателя. Сорбционный насос 22 расположен в положении вдоль тепловой связи 46 между узлом 18 теплового выключателя и охлаждаемой пластиной 2. 2 н. и 18 з.п. ф-лы, 5 ил.

1. Криогенная система охлаждения, содержащая:

охлаждаемую пластину, термически связанную с криогенным холодильником;

целевой узел, при этом целевой узел содержит целевой холодильник, выполненный с возможностью получения более низкой базовой температуры, чем криогенный холодильник;

узел теплового выключателя, содержащий один или более тепловых выключателей с газовым зазором, причем узел теплового выключателя имеет первый конец, термически связанный с охлаждаемой пластиной, и второй конец, термически связанный с целевым узлом; и

сорбционный насос, выполненный с возможностью управления теплопроводностью через узел теплового выключателя в соответствии с температурой сорбционного насоса, при этом сорбционный насос термически связан с криогенным холодильником посредством тепловой связи, простирающейся от охлаждаемой пластины к узлу теплового выключателя, при этом сорбционный насос расположен в положении вдоль тепловой связи между узлом теплового выключателя и охлаждаемой пластиной.

2. Криогенная система охлаждения по п. 1, причем сорбционный насос выполнен с возможностью замыкания одного или более тепловых выключателей с газовым зазором узла теплового выключателя в ответ на температуру сорбционного насоса, превышающую номинальную температуру перехода, и причем сорбционный насос термически связан с охлаждаемой пластиной с тем, чтобы охлаждать температуру сорбционного насоса ниже номинальной температуры перехода во время работы криогенного холодильника.

3. Криогенная система охлаждения по п. 2, причем сорбционный насос термически связан с охлаждаемой пластиной с тем, чтобы поддерживать температуру сорбционного насоса ниже номинальной температуры перехода, независимо от температуры целевого узла.

4. Криогенная система охлаждения по любому из пп. 2 или 3, причем номинальная температура перехода составляет от 4 до 30 градусов Кельвина, предпочтительно от 15 до 25 градусов Кельвина.

5. Криогенная система охлаждения по любому из пп. 2-4, причем целевой узел содержит целевую пластину, термически связанную с целевым нагревателем и целевым холодильником, причем сорбционный насос термически связан с охлаждаемой пластиной с тем, чтобы поддерживать температуру сорбционного насоса ниже номинальной температуры перехода при работе целевого нагревателя.

6. Криогенная система охлаждения по п. 5, причем упомянутая работа целевого нагревателя повышает температуру целевой пластины выше номинальной температуры перехода.

7. Криогенная система охлаждения по любому из пп. 1-4, причем целевой узел содержит целевую пластину, термически связанную с целевым нагревателем и целевым холодильником.

8. Криогенная система охлаждения по любому из предшествующих пунктов, причем сорбционный насос выполнен с возможностью размыкания и замыкания каждого упомянутого теплового выключателя с газовым зазором узла теплового выключателя.

9. Криогенная система охлаждения по любому из предшествующих пунктов, дополнительно содержащая сорбционный нагреватель, выполненный с возможностью применения локализованного нагрева к сорбционному насосу.

10. Криогенная система охлаждения по любому из предшествующих пунктов, причем тепловая связь содержит первый соединительный элемент и второй соединительный элемент, причем первый соединительный элемент простирается между узлом теплового выключателя и сорбционным насосом, а второй соединительный элемент простирается между сорбционным насосом и охлаждаемой пластиной.

11. Криогенная система охлаждения по п. 10, причем первый соединительный элемент содержит трубопровод для подачи газа между сорбционным насосом и одним или более тепловыми выключателями с газовым зазором узла теплового выключателя.

12. Криогенная система охлаждения по пп. 10 или 11, причем второй соединительный элемент имеет теплопроводимость от 1 до 50 милливатт на Кельвин, предпочтительно, от 5 до 10 милливатт на Кельвин при 4 градусах Кельвина.

13. Криогенная система охлаждения по любому из предшествующих пунктов, дополнительно содержащая одну или более ступеней, расположенных между охлаждаемой пластиной и целевым узлом, причем каждая ступень термически связана с одним или более тепловыми выключателями с газовым зазором узла теплового выключателя.

14. Криогенная система охлаждения по любому из предшествующих пунктов, причем криогенный холодильник представляет собой механический холодильник, выбранный из группы, включающей: холодильник на пульсирующих трубках, холодильник Стирлинга и холодильник Гиффорда-МакМагона.

15. Криогенная система охлаждения по любому из предшествующих пунктов, причем целевой холодильник содержит любой из холодильника с гелием-3, дистилляционной или смесительной камеры холодильника для разбавления или термостата на 1 Кельвин.

16. Способ работы криогенной системы охлаждения по любому из предшествующих пунктов, причем сорбционный насос выполнен с возможностью термического связывания криогенного холодильника с целевым узлом в ответ на температуру сорбционного насоса, превышающую номинальную температуру перехода, причем способ включает следующий этап:

а) повышение температуры целевого узла от первой температуры ниже номинальной температуры перехода до второй температуры выше номинальной температуры перехода;

при этом сорбционный насос термически связан с криогенным холодильником с использованием тепловой связи с тем, чтобы поддерживать температуру сорбционного насоса ниже номинальной температуры перехода во время этапа (а).

17. Способ по п. 16, причем криогенная система охлаждения дополнительно содержит сорбционный нагреватель, термически связанный с сорбционным насосом, причем способ дополнительно включает выполнение следующего этапа после этапа (а):

(b) эксплуатацию сорбционного нагревателя с тем, чтобы поднять температуру сорбционного насоса выше номинальной температуры перехода, тем самым термически связывая криогенный холодильник с целевым узлом.

18. Способ по п. 16 или 17, причем целевой узел дополнительно содержит целевой нагреватель и причем этап (а) выполняют путем эксплуатации целевого нагревателя.

19. Способ по любому из пп. 16-18, причем первая температура составляет ниже 5 градусов Кельвина.

20. Способ по любому из пп. 16-19, причем вторая температура составляет выше 20 градусов Кельвина.