极低温制冷技术的发展与应用

近年来,空间探测和凝聚态物理等领域对极低温制冷技术(1K)的潜在需求越来越大。本文总结了绝热去磁制冷、稀释制冷与吸附制冷三种目前主要制冷方法的原理与优缺点,回顾了三类制冷技术的发展历程与应用现状,提出了绝热去磁制冷、稀释制冷与吸附制冷技术未来的发展趋势与研究重点。     

mK温区极低温制冷技术在空间应用的进展及趋势

随着空间科学的不断发展,空间任务需求的温度已低至50 mK,使得极低温技术在空间领域得到了极大的发挥.本文首先介绍了近年来空间科学卫星对极低温的需求,总结了吸附制冷、绝热去磁制冷以及稀释制冷在空间应用的发展历程及工作特点.此外,重点分析了稀释制冷技术在空间应用的现状、趋势及关键问题.最后,指出了空间极低温制冷技术的国内形势及其发展对我国空间科学研究的重要意义.     

核绝热去磁制冷

温度是最基本的物理量之一,在科学研究中,将研究对象放置在低温环境中是一个非常常见的方法。更低的温度有助于发现低能量尺度的量子多体系统的新演生现象,也有助于在更低的热噪声下实现更高的实验分辨率。低温实验工作者有两个基本任务,一个是在低温环境下发现新的物理,另一个是提供低温环境和创造新的低温环境。在液氦或者干式制冷提供前级预冷环境的基础上,核绝热去磁等制冷原理被提出和使用。低温设备的无液氦消耗化,是与氦液化和稀释制冷同等重要的低温制冷突破。氦于1908年被液化,20世纪60年代中国有能力液化氦;同个时期,稀释制冷机被发明,中国近期正在发展稀释制冷技术。文章讨论了核绝热去磁制冷的基本原理,回顾了干式核绝热去磁技术的出现背景,并介绍了这种设备的一次搭建尝试。这次在中国的尝试,成功地实现了世界最低温度的无液氦消耗制冷机。     

以理想费米气体为工质的量子制冷循环

本文基于理想费米气体的状态方程，分析了以理想费米气体为工质的量子Ericsson制冷循环中的回热特征，推导出其制冷循环的制冷系数表达式。并在高温和低温条件下对制冷系数进行了讨论。这将对低温制冷机的研究提供理论依据。     

一种获得低温的制冷技术及其应用

本文介绍一种获得低温的制冷技术－Ｇ－Ｍ循环制冷机的工作原理及其热力学循环过程，以及循环过程中的温度特性，并介绍了Ｇ－Ｍ循环制冷机的应用。     

形形色色的制冷技术

随着科学技术的发展,制冷技术已渗透到从日常生活到衣、食、住、行到尖端科技的各个领域。100多年来,新的制冷技术层出不穷、飞速发展,本文将简单介绍目前的主流制冷技术。一、焦耳-汤姆孙效应制冷实验证明,管外包裹不导热材料、管中安装一个多孔塞或节流阀,使多孔塞两边维持较大压强差(一边高压强P1、另一边保持低压强P2),气体就会从气压高的一边经多孔塞缓慢流向气压低的一边,并达到稳定状态,这个过程就叫节流过程,气体在节流过程前后温度改变的现象称为焦耳-汤姆孙效应。在节流过程中,气体压强与温度的变化为dT=μdP(μ为焦汤系数)。μ…     

氩氦刀系统低温探针制冷性能实验研究

氩氦刀系统低温探针的温度及制冷量,主要取决于氩气进气温度和节流压力。文中介绍了氩氦刀低温探针的结构、工作过程以及对5mm直径低温探针的制冷性能试验。试验结果表明,当进气压力为20MPa时,1分钟内探针端部在296.3K的空气中,最低温度可达112.9K;当进气压力为18MPa时,探针在291K的水中5分钟内能够形成4.9cm×2.8cm的椭圆冰球;将预冷进气温度从290.4K降低至274.4K,可以使探针制冷量增加约24%。     

脉管制冷用于低温超导磁体冷却的可行性分析

采用制冷机直接冷却的低温超导磁体系统与传统液氮冷却方式相比，具有轻便紧凑、运行简单、维护方便、可长时间连续运行等优点；而脉管制冷由于冷端无运动部件，与传统的G-M制冷机相比，具有结构简单、运行可靠、振动小等优点．本文结合我们在液氮温区脉管制冷方面的技术，从漏热和经济性两方面探讨了将脉管制冷直接用于冷却一个5特斯拉NbTi低温超导磁体的可行性，为后期系统的搭建奠定基础．     

脉管制冷用于低温超导磁体冷却的可行性分析

采用制冷机直接冷却的低温超导磁体系统与传统液氦冷却方式相比,具有轻便紧凑、运行简单、维护方便、可长时间连续运行等优点;而脉管制冷由于冷端无运动部件,与传统的G-M制冷机相比,具有结构简单、运行可靠、振动小等优点.本文结合我们在液氦温区脉管制冷方面的技术,从漏热和经济性两方面探讨了将脉管制冷直接用于冷却一个5特斯拉NbTi低温超导磁体的可行性,为后期系统的搭建奠定基础.     

以理想玻色气体为工质的量子Ericsson制冷循环

文中基于理想玻色气体的状态方程 ,分析了以理想玻色气体为工质的量子 Ericsson制冷循环中的回热特征 ,推导出其制冷循环的制冷系数表达式。并在高温和低温条件下对制冷系数进行了讨论。这将对低温气体制冷机的研究提供理论依据。     

一种制冷射频接收前端的研究

概述了制冷射频前端的组成,对其中关键器件真空窗及隔热波导组件、低温低噪声放大器和超导滤波器的设计进行描述。给出了真空窗及隔热波导组件、低温低噪声放大器和超导滤波器主要性能测试实例,制冷射频前端主要指标噪声温度≤10 K,带外抑制≥120 dB。     

应用于低温领域的双温复叠式制冷循环

双温复叠式制冷循环可以用于低温领域中需要提供两个不同制冷温度的场合。首先介绍了双温复叠式制冷循环的原理和组成,然后建立了双温复叠式制冷循环的热力学模型,通过热力计算分析了冷凝温度、低温部分蒸发温度、蒸发冷凝器传热温差、流经高低温蒸发器质量流量比、过热度和过冷度对该循环性能的影响。     

Laval喷管气体超声速凝结流动实验研究

Laval喷管是超声速旋流分离技术的核心装置,气体在喷管内高速膨胀产生的低温效应可实现混合气体中可凝组分的冷凝分离。为明确喷管内超声速凝结流动规律,建立了超声速凝结流动实验系统,研究了Laval喷管内气体凝结流动过程,并重点对比分析了膨胀角为1.5°/3°/5°时喷管内的凝结流动参数。结果表明:气体在喷管内流动,温度压力不断降低,气体在喷管喉部处发生凝结,液滴数目急剧增长。喷管膨胀角对气体凝结过程影响明显。喷管膨胀角越大,喷管压力温度下降越快,喷管制冷效果越好。与此同时,凝结产生的液滴数目越多,半径越小。     

氮低温制冷循环系统在大科学装置中的应用与发展

大科学装置中低温设备的氮低温冷量需要日益快速增长,为减少能耗和保障装置的长期稳定运行,基于大科学装置氮低温系统运行需求,介绍了氮低温制冷循环系统在国内外大科学装置中的应用情况,总结了目前大科学装置中应用氮低温制冷循环系统的研究现状,并探讨以氮制冷机为核心的氮低温制冷循环系统在未来大科学装置中发展方向。     

热-电驱动喷射压缩复合制冷循环特性研究

自复叠制冷循环具有获得制冷温度低优点,但其完全消耗的是高品位电能或机械能;喷射制冷具有利用低品位低温热源(60~100℃)制取冷量、且制冷温度较高时制冷效率高等优点,但难以获得较低制冷温度。因此,为了实现低品位热在低温冷冻领域高效利用并节省高品位电能,本文提出一种由低品位低温热源与电能联合驱动的混合工质喷射/压缩复合制冷循环。建立组成新循环各部件热力学数学模型,分析喷射器压缩比和压缩机压缩比对复合式制冷循环的热性能系数和机械性能系数影响,并与传统的自复叠制冷循环特性进行比较分析。研究表明,低品位热源与电能联合驱动喷射/压缩复合制冷循环较传统I刍复叠制冷循环可显著提高制冷效率并获得更低制冷温度。     

多功能热管型二级吸附制冷的循环特性研究

设计了一台以氯化钙/活性炭复合吸附剂和氨作为吸附工质对的多功能热管型吸附制冷机组,采用一种新型的基于二次回热的二级循环方式来降低驱动热源的温度梯度,吸附床的加热解吸、冷却吸附及回热过程均由无外加驱动力的多功能热管工作完成.研究结果表明:当解吸温度为103℃及冷却水温度为30℃时,回热型二级循环相对传统二级循环可显著提高机组的工作性能,制冷系数COP及单位质量吸附剂制冷功率SCP提高幅度均在23%以上;相对单级循环,二级吸附循环的最大优点在于能有效利用更低品位的余热和可再生能源作为驱动热源进行制冷,吸附制冷技术在低温热源场合的应用提供了有效途径.     

低温制冷技术在光电器件中的应用及发展

】重点论述了与光电子技术的密切相关的低温制冷技术应用及发展 ,叙述了光电器件常用的几种制冷机的主要特点。根据我国光电器件对低温制冷机的需求概况 ,对我国今后制冷机的发展做了初步展望     

4～20 K温区固体界面导热填料接触热阻实验研究

超导量子干涉仪、超导光子探测器等深空探测器需要液氦温区制冷技术提供极低温温度,固体界面接触热阻的存在会增大耦合界面温度差,进而增加制冷机系统冷损.为定量探究4～20 K深低温区固体接触热阻,采用GM作为冷源,设计了一台可同时调节压力和低温温度的固体界面接触热阻测试实验台.利用感压纸进行接触界面压力校核,并对温度重复性进行验证.实验测试了不同导热介质填充情况下,温度和压力变化时固体接触热阻的变化规律.基于最小二乘法对实验数据进行半经验公式拟合,获得4～20 K温区不同压力加载条件下的接触热阻的定量参考.     

冷凝泵型稀释制冷机实验研究

极低温(<1 K)环境对于凝聚态物理、天文观测和量子计算等前沿领域具有重要意义,其中稀释制冷是应用最广泛的极低温制冷技术.针对小冷量应用的冷凝泵型稀释制冷机利用冷凝泵实现³He的低温循环,无需复杂的机械泵组和连接气路,具有结构紧凑、操作便利、成本低等优势,从而成为新的研究热点.本文围绕冷凝泵型稀释制冷机,介绍了其制冷原理和系统架构,设计并搭建了预冷系统、稀释低温系统和测量系统,并对整机进行了实验研究.辅助多测温点测量系统,通过多次实验总结了稀释低温循环过程,由吸附制冷机预冷、稀释循环启动和稀释制冷三个阶段组成,并且分析了系统启动和运行特性.经过测试,实验最低温度可达108 mK.该制冷机可以很方便地拓展低温平台的制冷温区,为凝聚态物理、材料、医学研究等前沿领域提供重要支撑.     

可能用于超导系统冷却的脉管制冷技术

脉管制冷机没有低温下的运动部件,具有布置方式灵活,便于实现紧凑结构,制造成本低等突出优点,因此在低振动、低电磁噪声(EMI)等高标准场合具有很高的应用价值.在多项国家自然科学基金及与德国吉森大学、日本大阪市立大学等单位开展广泛国际合作的基础上,浙江大学制冷与低温研究所深入进行了脉管制冷机的研究与应用工作.在单级脉管制冷机方面,目前获得的最低制冷温度为14.7K,这是目前G-M型单级脉管制冷机的最低温度纪录.该制冷机在20K和80K分别具有10W和100W制冷量,可望在超导磁体冷却等方面获得应用.在多级脉管制冷机方面,目前最低制冷温度达2.17K,在4.2K获得的最大制冷量为960mW,制冷效率达1.50×10-4;最高制冷效率为1.58×10-4,优于同类国外产品达20%.该制冷机已在德国应用于超导Josephson效应1V及10V电压标准的冷却获得成功.此外,还开展了采用混合工质的脉管制冷机研究工作,力图在4K,20K及80K温区获得更高的制冷效率并已取得重要进展.