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。     

用于亚开温区的极低温绝热去磁制冷机

随着空间观测、量子技术等前沿科研领域的发展,亚开温区的极低温制冷需求日益增加.本文设计并研制了一台极低温单级绝热去磁制冷机.该制冷机由GM型制冷机提供约3 K热沉,以钆镓石榴石为磁热工质,由超导线圈提供最大为4 T的磁场,通过绝热去磁,实验最低温度可达470 mK.在恒温控制模式下,可在1 K下提供2.7 J冷量,温度波动小于0.5 mK,绝热去磁制冷的第二热力学效率为57%;在0.8 K下,制冷量为1.2 J.该制冷机将作为50 mK温区三级绝热去磁制冷系统中的第一级,在1 K下提供0.7 mW制冷功率.本研究为进一步开展极低温多级连续绝热去磁制冷奠定了基础.     

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。     

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.     

磁场致冷综述

本文综述了获得极低温的磁场致冷的物理思想和基本原理，包括顺磁盐绝热去磁致冷、核顺磁体绝热去磁致冷、超导体绝热磁化致冷、合金绝热去磁致冷和其它致冷，并估计了磁场致冷获得低温值的下限．     

极低温度的获得方法──波墨朗丘克制冷和核绝热去磁

很接近于绝对零度的1K以下的温区,一直受到物理学家的重视,很多领域的多种研究工作已被扩展到该温区[1].自1908年获得液He以来,已经有好几种方法被发展来获得 1K以下的温度.降低液 He4表面的蒸汽压可以方便地获得1K左右的温度,经过特别设计的He4恒温器甚至可以得到0.5-0.6K的温度[2],但这并不非常方便而很少被人采用. 获得1K以下温度的方法主要有顺磁盐的绝热去磁、He3恒温器、稀释制冷机、波墨朗丘克(Pomeranch-uk)制冷和核绝热去磁.顺磁盐绝热去磁制冷的方法发展最早,三十年代起就有成功的实验.关于它的原理和实例在相当多的教科书或…     

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     

扬声器驱动热声制冷机的研究进展

热声制冷技术是一项新型的制冷技术,它具有运动部件少、运行可靠、振动小、寿命长、对环境无污染等优点,在航天、超导、低温电子、低温生物等众多领域有着十分广阔的应用前景。本文阐述热声制冷效应的基本原理和热声制冷循环之后,系统介绍了热声制冷机中共振管、板毪、换热器、动力源(扬声器)等部件和制冷工质的研究情况。同时,指出了扬声器驱动热声制冷存在的问题,并对热声制冷的发展进行了展望。     

磁制冷和激光制冷技术

 制冷就是使某一空间内物体的温度低于周围环境温度并能维持这个低温的过程。制冷及低温技术有着十分重要的应用,关系到国计民生的多个重要领域,如食品储藏、航空航天、医疗卫生、科学试验等。根据制冷产生的低温环境的不同,制冷技术大体分为三类,120K以上至环境温度以下为普通制冷,20-120K为深度制冷,OK以上至20K为低温和超低温制冷。早期制冷主要采用气体膨胀的方式来获取越来越低的低温,到1932年,荷兰人克西姆采用降低液氦压力的方法获得了0.7K的最低温度。这几乎达到了气体膨胀制冷的极限。     

新型热驱动半导体制冷器性能的优化分析

提出一种新型的热驱动半导体制冷器模型 ,以制冷系数和制冷率为目标函数分析其性能特性。计算在不同情况下热驱动半导体制冷器的最大制冷系数和制冷率。进而优化工作电流的最佳范围 ,从而确定热驱动半导体制冷器的内部结构参数。所得结果可为新型的热驱动半导体制冷器的优化设计和最佳运行提供有价值的理论指导 ,可促进热驱动半导体制冷器的开发和在不同高新科技领域中的应用。     

驻波型热声制冷机熵产分析

声制冷机是一种新型制冷机,具有无机械运动部件,可靠性高寿命长,采用惰性气体为工质无污染等优点．驻波型热声制冷机的声功泵热效应是不可逆过程,内部不可逆损失导致热声制冷机效率偏低,制约了热声制冷机的发展和应用．本文研究了线性范围内驻波型制冷机换热器和回热器内的可压缩振荡流动与传热过程的熵产,分析了板间距,振荡频率和温度梯度对熵产的影响。     

Transition edge sensor system for material analysis using transmission electron microscope

We have developed a Transition Edge Sensor (TES) – Energy Dispersive Spectroscopy (EDS) for Transmission Electron Microscope (TEM) based on a dilution refrigerator. The dilution refrigerator was cooled by liquid helium (L-He), which was supplied from an L-He container separated from the dilution refrigerator. We adopted the hybrid magnetic shields combining a permalloy shield and a NbTi/Nb/Cu superconducting shield to operate the TEM–TES system under a magnetic field of 200 mT. The permalloy shield was used to prevent the ambient magnetic field until the NbTi superconducting shield cooled from room temperature (RT) to 2 K. The critical magnetic field was 220 mT for the TES change from a superconducting state to a normal state. The SQUID – current vs. bias current curve, under the condition that the snout was inserted in the TEM, was equal to the curve of the snout that was out of the TEM. The C (0 0 2) planes could be observed at 120 kV under the condition the snout was inserted in the TEM.     

Piezo-driven thermoacoustic refrigerators with dynamic magnifiers

Thermoacoustic refrigeration is an emerging cooling technology which does not rely for in its operation on the use of any moving parts or harmful refrigerants. This technology uses acoustic waves to pump heat across a temperature gradient. The temperature gradient forms across the ends of a porous body, called the stack, enclosed in a resonator. The vast majority of thermoacoustic refrigerators to date have used electromagnetic loudspeakers to generate the acoustic input. In this paper, the design, construction, operation, and modeling of a piezo-driven thermoacoustic refrigerator are detailed. The performance of the refrigerator is significantly enhanced by coupling the acoustic driver with an elastic structure, referred to as a dynamic magnifier. Proper selection of the magnifier parameters can increase the magnitude of the pressure oscillations across the stack, and consequently the temperature difference. The magnified refrigerator demonstrates the effectiveness of piezoelectric actuation in moving 0.3 W of heat across a 10 °C temperature difference with an input power of 7 W. All the theoretical predictions are validated against data from experimental prototypes. The developed theoretical and experimental tools can serve as invaluable means for the design and testing of piezo-driven thermoacoustic refrigerator configurations.     

40～80 K温区高频脉冲管制冷机的实验研究

随着高频脉冲管制冷机性能的不断改善,特别是在红外和超导应用方面已进入实用化阶段,需要对蓄冷器和压缩机作进一步研究,探索高频脉冲管制冷机的工作机理,优化制冷机的整机设计.本文介绍了一台斯特林型高频单级脉冲管制冷机,经过优化设计,最低制冷温度达到了33 K,在40 K有420 mW的制冷量,当输入电功率为200 W时,在80K有4.5 W的制冷量.文中针对压缩机效率在40～80 K温区随工作频率变化的曲线关系,指出了制冷机和压缩机的耦合问题是研究脉冲管制冷机的重点与难点.并分析了制冷机内部各种阻力损失和热损失随压缩机运行频率变化的原因.     

热端温度对高频微型同轴脉冲管制冷机性能的影响及其在空间技术中的应用研究

本文用数值方法对热端温度对微型高频同轴脉冲管制冷机性能的影响进行了分析,并将其与实验结果进行了比较,随着热端温度的升高,制冷机的最低制冷温度单调升高,制冷量单调减少,试验结果与数值计算结果定性相符。在此基础上,探讨了高频微型同轴脉冲管制冷机和辐射制冷器相结合在空间飞行器中的应用,提出了两种应用模式,用数值方法对之进行了分析。     

基于单片机和半导体制冷片的热敏电阻实验

介绍了半导体制冷片的基本结构,基于单片机和半导体制冷片设计了热敏电阻温度特性研究实验,设计完成了温度特性研究系统的硬件电路和软件构造,探讨了单片机和半导体制冷片在物理实验中的应用.此实验平台具有很好的扩张性,可用于设计组成各种温度控制类的实验内容.所完成的温度特性研究实验系统具有集成度高、体积小、使用方便等特点.     

G-M制冷机在高温超导磁储能磁体直接冷却中的应用研究

分析了超导磁储能直接冷却的特点,对G-M制冷机应用于超导磁储能直接冷却进行了方案设计和负荷计算;针对应用于超导磁储能冷却的G-M制冷机分析了热力参数对制冷系数和熵产率的影响;根据高温超导磁体冷却的实验结果,研究了G-M制冷机在磁储能直接冷却应用中的关键技术问题。     

脉冲管制冷机直流损失机理实验研究

1前言脉冲管制冷机发明于1963年。因为无常规回热式制冷机中的冷腔运动部件，解决了冷腔振动、磨损和电磁干扰等问题，具有很大的应用潜力。近年来，脉管制冷机的研究无论从实验上和理论都获得了长足的发展，综述的文献可见[1]．在实验研究方面，主要集中在脉冲管制冷机的整机结构参数的改进，运行参数的变化如何影响制冷性能以及外部热力参数的测量方面（如制冷量和制冷温度）。对制冷机的内部动态参数的测量很少。直到1992年法国的David才研究了利用热线风速仪测量脉冲管制冷机内部动态流速的方法[2]。随后日本的Tanaka等采用冷丝，测量…     

Performance characteristics of an energy selective electron refrigerator with double resonances

This paper establishes the energy selective electron (ESE) engine with double resonances as a refrigerator in one dimensional (1D) system. It consists of two infinitely large electron reservoirs with different temperatures and chemical potentials, and they are perfectly thermally insulated from each other and interaction only via a double `idealized energy filter' whose widths are all finite. Taking advantage of the density of state and Fermi distribution in the 1D system, the heat flux into each reservoir may then be calculated. Moreover, the coefficient of performance may be derived from the expressions for the heat flux into the hot and cold reservoirs. The performance characteristic curves are plotted by numerical analysis. The influences of the resonances widths, the energy position of resonance and the space of two resonances on performance of the ESE refrigerator are discussed. The results obtained here have theoretical significance for the understanding of thermodynamic performance of the micro--nano devices.