极低温绝热去磁制冷系统中的热开关

王 昌 ，王亚男，刘远威 ，3，戴 巍*，沈 俊

（1.中国科学院理化技术研究所 低温工程学重点实验室，北京 100190；2.中国科学院大学，北京 100190；3.西安交通大学 热流科学与工程教育部重点实验室，西安 710049）

0 引言

极低温制冷技术，通常指获取1 K以下温度的制冷技术。极低温制冷的意义可归纳为：（1）提供极端物理环境，以研究或利用物质在极低温下所具有的特性，例如氦3的超流现象（2.7 mK）[1]；（2）物质在极低温下具有极小的比热，是某些高灵敏度元件的必要条件，例如单光子探测器（～100 mK）[2]；（3）用于削弱电子系统中热噪声的影响，提高信噪比，从而测量微弱信号，例如量子计算机（～100 mK）[3]。常用的极低温制冷技术包括氦3减压制冷、稀释制冷、吸附制冷、Pomeranchuk制冷和绝热去磁制冷。其中，绝热去磁作为一种固态制冷方式，具有不依赖重力、不依赖稀缺工质氦3、紧凑高效的突出优点，已成为空间应用的主流极低温制冷技术，同时在地面应用中也渐受青睐。

绝热去磁制冷（Adiabatic Demagnetization Refrigeration，ADR）基于磁热效应，其基本循环为逆卡诺循环。在该循环中，需选择性地建立或断开工质与周围部件的传热。这种位于磁工质与热沉（或负荷）之间，根据需要导通或隔绝热量的器件被称为热开关。热开关的性能对制冷系统的正常运行、制冷能力和效率有着直接影响。热开关技术已成为极低温绝热去磁制冷的关键技术。

1 热开关的作用和性能参数

在磁热工质中，总熵S由磁熵SM、晶格熵Sl、电子熵Se构成，如式（1），H代表磁场强度，T代表温度，其中电子熵数值远小于前两者，且工质温度主要与晶格熵有关。如图1所示，当工质从某一温度Tsink绝热去磁时（a→b），总熵不变，磁熵增大，晶格熵减小，降温至制冷温度Tcooling；在该温度下等温去磁（b→c），磁熵及总熵增大，吸收热量，通过调整去磁速率可控制制冷温度恒定；去磁完毕后（H=0），工质绝热励磁（c→d），升温至热沉温度；最后在Tsink下等温励磁（d→a），向热沉放热，返回初始状态。

图1 绝热去磁制冷循环原理图Fig.1 Schematic diagram of cooling recycle of adiabatic demagnetization refrigeration

热开关在绝热去磁制冷系统中的工作过程如图2所示。当磁热工质励磁时，温度上升至高于热沉温度的Thigh，此时热开关导通，工质向热沉放热；当工质励磁结束，需在绝热条件下去磁时，热开关断开，阻止热量由热沉流向温度较低的工质。热开关的主要性能参数包括开关比和附加热、工作温区。

开关比指热开关在导通和断开状态下的热导之比。开关比越大，表示热开关的切换效果越明显，但单独的开关比数值尚不能完全表明其导热性能的优劣，还须结合具体的热导数值。

附加热指由于热开关而引入系统的热量，包括驱动热开关切换时产生的热量和经由热开关的外界漏热。在选择热开关类型和结构设计时，应尽量减少附加热的引入。

不同类型热开关具有对应的工作温区，如表1所列[4]，当超出一定温度范围后，其开关性能急剧下降，甚至失效。在选择热开关时，首先考虑其工作温区，并计算热开关在导通和断开状态下的热导，此外，还须综合考虑附加热、可靠性、体积和质量等因素。

图2 热开关在绝热去磁制冷系统中的工作过程图Fig.2 Working process of heat switch inADR

表1 常用热开关类型及工作温区Tab.1 Types and working temperature of commonly used heat switches

2 常用热开关类型

2.1 机械接触式

机械接触式是原理最简单的热开关类型，广泛用于实验室和实用装置中，其原理是利用可移动表面的接触或断开实现热开关状态的切换。机械接触式热开关工作温区不受限制，但常用于较高温区（4 K以上温区），其优点是可实现完全断开，缺点是导通状态下热导受压力限制，无法继续提高。对于两导热表面，在热开关导通状态时需存在足够大的压力，同时可以反复完全分离，因此无法使用导热油脂或铟箔加强导热。机械式热开关的技术难点在于，其压合设计需兼顾高热导率和可重复性，在接触面弹性形变范围内，必须紧密压合以获得良好的热接触。实际中常使用镀金铜作为导热面，对导热面形位公差要求也很高。

驱动机械接触式热开关的方式有多种，其中最常用的方式是通过一个密封通孔，由外部手动（例如旋钮）或电动控制热开关，因此需要谨慎的热设计以减少来自外部的漏热。其他驱动方式还包括电磁驱动、氦气或液氦的液压驱动、压电驱动和磁致伸缩驱动。

图3为一个工作在4 K的机械式热开关[5]。当需要导通时，线圈a通电，吸引铁芯b向上运动，进而驱动钳口c（镀金铜）夹紧，与冷头e在一定压力下接触，形成热导通；当需要断开时，线圈a停止通电，铁芯在复位弹簧作用下向下移动，钳口松开，钳口c与冷头e分离，热连接断开。由于承受较大压力，机械接触式热开关需要有牢固的结构，同时由于驱动装置的引入，使得其体积通常比其他类型热开关更大。

图3 机械式热开关图Fig.3 Mechanical heat switch

2.2 超导式

超导式热开关的原理是利用超导材料在正常态和超导态的热导率差异进行热开关的切换。当热开关工作时，材料温度始终低于临界温度，通过施加磁场使材料失超，从热导率较低的超导态转变成为较高的正常态，完成由断开向导通的切换。常用于热开关的超导材料如表2所列[4]，从表中可以看出，超导式热开关适用于0.5 K以下温区。

表2 常用的超导式热开关材料Tab.2 Materials commonly used in superconducting heat switches

图4为一个工作在0.35 K绝热去磁系统中的超导式热开关[4]，采用铅作为超导材料。为保障良好的热导，热开关两端采用高热导率材料（如高纯铜）。采用Helmholtz线圈提供垂直于热流方向的磁场，以最大程度保证磁场的均匀性，同时减少边缘漏磁，以避免产生涡流热。此外，由于磁阻效应（Magnetoresistive Effect），材料在失超时的热导率将略小于材料本身在相同温度下的数值。

图4 超导式热开关图Fig.4 Supercondcting heat switch

超导式热开关目前的技术难点和可能的解决途径包括：（1）由于材料在超导态下仍具有晶格热导，热开关在断开时仍有漏热，可尝试优化超导材料或结构，减小断开状态下的热导，提高开关比；（2）附加磁场的引入增加了系统的复杂程度，可尝试更紧凑的磁场设计，例如热开关与磁热模块磁体共用。此外，当材料从断开切换为导通状态时，由于施加磁场时的磁热效应会产生一定量的热量，该部分热量可通过减少磁热材料用量而控制在可接受水平。

2.3 气体式

气体式热开关是绝热去磁制冷机中最早使用的热开关类型[6]，其基本原理是向热开关腔体中通入或者抽出气体进行导通与断开的切换。在10 K以下的绝热去磁系统中，通常使用氦3或氦4作为换热气体。气体式热开关工作的温度下限约为0.2 K，低于此温度时，气体蒸气压过低，无法进行有效传热。

由于向热开关腔体中充注或抽吸气体速率有限，逐渐发展出了结构更加紧凑、响应速度更快的气隙式热开关[7]。这一类型热开关通常为同心套筒或交错叶片结构[8]，如图5所示为一种交错叶片式热开关，整体高度83 mm，端侧法兰外径38 mm，装配后两相邻叶片间距离约为0.36 mm，在温度较低的一侧放置吸附剂。当该侧温度较低时，吸附剂吸附气体，使叶片间隙气压较低，热开关处于断开状态；随着该侧温度升高，吸附剂解吸，气体进入间隙，热开关处于导通状态。为提高导通状态下的热导，叶片或套筒通常采用高热导率材料（如铜），并尽可能扩大传热面积。同时，为降低断开状态下的热导，采用低热导率的材料作为支撑结构。气体式热开关的技术难点在于，须合理选择吸附工质对和计算充注量，以满足对应的工作温区和开关比要求。常用的吸附剂包括活性炭、沸石、烧结铜，吸附质包括氢气、氦4、氦3。

图5 交错叶片式气隙热开关图Fig.5 Gas-gap heat switch with interleaved blade

根据解吸热量来源，气隙式热开关可分为主动式和被动式。主动式由外界热源提供解吸热量，解吸温度通常高于10 K，且附加热量较大。

被动式气隙热开关（Passive Gas-Gap Heat Switch，PGGHS）最早出现于1990年[9]，是目前绝热去磁系统中最为常用的热开关类型，其原理是利用磁热工质本身的温度变化，当工质励磁升温时，加热吸附剂使之解吸，热开关导通；当工质去磁时，温度降低，吸附剂随之降温并吸附气体，热开关断开。该类型热开关具有工作温区广、结构简单、不引入附加热等优点。图6为被动式气隙热开关在不同温区的工作效果[10]。

图6 不同温区的被动式气隙热开关（PGGHS）图Fig.6 PGGHS in different temperature areas

被动式气隙热开关的特殊形式之一，是叶片本身作为吸附剂。当叶片处于较低温度时，气体以薄膜的形式附着或冷凝在叶片表面，间隙气压较低，热开关处于断开状态。此时须保证气体充注量既满足导通状态下的热导需求，也不在冷凝时滴落或同时接触两壁面。该类型热开关的开关比取决于对应情况下薄膜系统的饱和蒸气压[11]。

2.4 磁阻式

磁阻式热开关是目前发展较新的一种热开关类型，其原理是利用某些金属的磁阻效应（Magnetoresistive effect），当施加磁场时，受到洛伦兹力作用，载热电子的运动将受到抑制，材料的热导率最低可降至仅由声子导热的水平。具有这一性质的材料包括镓、钆、铍、锌、钼、锰等，其中已开展了对单晶镓[12]、单晶铍[13]、单晶钨[14]作为热开关材料的研究。

图7为一个由钨构成的磁阻式热开关[15]，由纯度为99.999%的单晶钨经线切割而成，直径12.5 mm，高32.3 mm（不含装配法兰时12 mm）。为减小断开状态的热导，采用了多层曲折的形式延长导热长度，总导热路径长31 cm，截面面积为1.5 mm2。

图8为该热开关在不同温度下的热导率和热导率随磁场的变化[15]，可以看出，磁阻式热开关可应用于0.01～6 K温区，在1 T磁场变化下，开关比可达1 000以上。

磁阻式热开关目前的技术难点在于磁阻材料过脆，易于损坏。考虑磁阻热开关和磁热模块共用磁场，是一种减小系统复杂程度的可能途径。

图8 磁阻热开关导热性能随温度和磁场变化曲线Fig.8 Magnetoresistive heat switch performance as a function of temperature and magnetic field

3 热开关典型应用

3.1 多级绝热去磁连续制冷系统

美国国家宇航局（NASA）[16-17]研制了一套多级绝热去磁连续制冷系统（Multi-stage Continuous Adiabatic Demagnetization Refrigerator，CADR），如图9所示，自4.2 K热沉起，经过3级磁热模块逐级降温至50 mK，并由最后1级模块维持温度恒定。如表3所列，该系统在4 K、1 K、0.3 K温区均采用2.3中的被动气隙式热开关，在0.05 K温区采用超导式热开关。采用的磁热材料有两种，其中，CPA是KCr（SO4）2·12H2O；GLF是GdLiF4。

表3CADR系统组成Tab.3 Components of CADR system

图9 美国NASA的CADR系统图Fig.9 Schematic diagram and picture of CADR from NASA

图10为该CADR系统中各级磁热模块的温度变化和控制时序[18]。以第2、3级为例，当第2级磁热模块励磁升温至某一临界值时（约为0.2 K，该热开关的热导变化如图6所示），气体由吸附剂中解吸，进入间隙，热开关导通，第2级向第3级放热；当励磁完成后，对第2级去磁，温度降低至临界值以下，气体重新被吸附剂吸附，热开关断开，此过程中虽然有一小部分热量从第3级流向第2级，但对整体温度变化影响不大。通过改变气体充注量和吸附对，可改变被动式气隙热开关的切换温区。

图10 CADR中各级运行时序图Fig.10 Operation sequence in CADR

3.2 并联绝热去磁制冷系统

英国伦敦大学（UCL）研制了一套两组磁热模块并联的绝热去磁制冷系统[14-15]（Double ADR），分别如图11、图12所示，两组磁热模块交替制冷，从3.6 K预冷温度降温至200 mK。

图11UCL搭建的dADR系统Fig.11 dADR from UCL

当其中一组磁热模块励磁时，与预冷冷盘相连的热开关导通，与冷头相连的热开关断开，同时另一组磁热模块去磁，热开关通断情况相反。该系统采用了2.4所描述的磁阻式热开关，分别工作于3.6 K和0.2 K温度下，其工作效果如图9所示。

图12 装配了磁体的磁阻式热开关实物图Fig.12 Picture ofADR system with magnetoresistive heat switches and magnet

4 总结与展望

随着地面和空间应用中对极低温需求的提高，绝热去磁制冷（ADR）再次成为极具发展前景的极低温获取方式[19]。热开关技术是绝热去磁制冷系统的关键技术，尤其对于多级连续制冷的CADR系统，热开关的性能直接影响系统的分级、循环周期、制冷功率和效率。本文汇总了目前常用的热开关性能参数及优缺点，如表4所列。

大开关比、低附加热、快速响应、紧凑可靠的热开关是目前绝热去磁制冷技术研究的重要方向。其中，被动式气隙热开关、磁阻式热开关具有良好的发展前景。通过探寻具有更理想吸附特性的吸附工质对或吸附结构，有利于发展出开关比更大、响应更迅速的气隙热开关。对于磁阻式热开关，优化开关的热设计和磁场设计、寻找更可靠高效的磁阻材料是进一步提高热开关性能的可能途径。

表4 常用热开关类型及特点Tab.4 Types and characteristic of commonly used heat switch