混合工質預冷的熱壓縮機驅動的新型液氦溫區制冷機

《混合工質預冷的熱壓縮機驅動的新型液氦溫區制冷機》是依託中國科學院理化技術研究所，由周遠擔任項目負責人的面上項目。

基本介紹

• 中文名：混合工質預冷的熱壓縮機驅動的新型液氦溫區制冷機
• 項目類別：面上項目
• 項目負責人：周遠
• 依託單位：中國科學院理化技術研究所

項目摘要

通過簡單的製冷循環系統獲得4.2K-20K的極低溫環境有著重要的科學意義和套用價值。本項目提出一種混合工質預冷的熱壓縮機驅動的新型制冷機，用高效方便的混合工質節流制冷機代替液氮提供動力，在科學原理上是對已有的低溫下Vuilleumier製冷循環的重要改進，將會豐富低溫製冷技術的研究和工程熱力學等學科的進展。同時通過在極低溫蓄冷器內採用Er3Ni等蓄冷材料以及對蓄冷器和熱壓縮機等的最佳化設計，在國際上首先通過熱壓縮機驅動的Vuilleumier循環達到液氦溫區，相比需要油潤滑的G-M制冷機該新型低溫系統具有較高的效率和廣泛的套用前景。由於本項目提出了一種新型的低溫系統，因此關鍵在於通過熱力學和流體理論分析，完成系統聯合，再通過實驗研究完成各部件的耦合測試與最佳化，實現液氦溫區平台的搭建。

結題摘要

液氦溫區小型低溫制冷機在物理、醫療、空間探索等領域有著重要套用。目前可以獲得液氦溫度的小型低溫制冷機為GM 制冷機、GM 脈衝管制冷機和高頻斯特林型脈衝管制冷機，由於GM 制冷機的壓縮機效率較低，而斯特林脈衝管制冷機的蓄冷器在較高頻率下損失較大，導致這兩種制冷機在液氦溫度下的效率均較低。Vuilleumier (VM) 制冷機是一種閉式回熱式制冷機，可以看作為熱壓縮機驅動的斯特林制冷機，具有理論上的高效性，其工作頻率一般低於5Hz，利於蓄冷器的高效工作。為了發展液氦溫區高效制冷機，本項目開展了VM制冷機的理論與實驗研究。 理論分析方面，分析了拉格朗日坐標下氣體微團的熱力過程，從經典熱力學角度闡明了氣體微團經歷的熱力學循環及其功與製冷量的傳遞過程，得到了與歐拉觀點相一致的結論。數值模擬方面，採用MATLAB編程對單級VM制冷機進行了模擬分析，開發了適用於10K以下單級VM制冷機的模擬程式； 對於兩級VM制冷機，採用SAGE軟體對其進行了模擬分析，分別對調相方式的布置方式、兩級氣量分配、蓄冷器的填充方式等進行了最佳化，對兩級VM制冷機的設計具有一定的指導意義。實驗方面，首先對單級VM制冷機的密封、蓄冷器等關鍵部件進行了最佳化，獲取了7.3K的無負荷最低溫度；為獲取液氦溫區，在單級VM制冷機的基礎之上，氣耦合了一級同軸脈衝管制冷機，分別對其調相方式、蓄冷器開展了最佳化研究，最終獲取了3.06K的最低溫度，在4.2K可提供30mW製冷量，這是首次採用兩級VM制冷機獲取液氦溫度，進一步對其進行最佳化，其在空間探測超導電子學等領域將有很大的套用前景。另外，依託本項目，多款混合工質節流制冷機研發成功（1L/h, 5L/h, 10L/h 液氮機），具有廣闊的套用前景。