bwin必赢国际科技与上海技物所联合研究团队在mK温区稀释制冷机的关键部件热开关的理论研究和实验验证方面取得重要进展

2024-03-06

　　稀释制冷机是一种相对复杂的系统，要实现其顺利达到极低的mK温区并平稳运转，需要能实现不同功能的各关键部件之间的协同配合。特别是要从常温降低到接近绝对零度的mK温区，还需要分阶段的接力制冷才能实现，这也是稀释制冷机在结构上常常被划分为预冷级、深低温级和极低温级等不同冷级的原因之一。但是，这些不同冷级对于制冷和传热的要求常常又是互相矛盾的，于是使得稀释制冷机系统变得微妙而复杂。

　　例如，在初始降温阶段，所有的冷级均处于常温，这时候需要将预冷级的冷量迅速传导到深低温级和极低温级，此时就要求预冷级和后二者之间有极小的热阻，以利于冷量的快速传递；但是，当预冷级、深低温级和极低温级三者之间达到热平衡时（通常是在约4K的液氦温区），深低温级和极低温级需要进一步降低至亚开尔文温区，此时预冷级就忽然变成了一个很大的热负载，预冷级（除内部循环之外的部分）就必须和后二者完全物理断开。那么，有没有一种部件，它在某一特殊需要的时候热阻尽可能小，而在另一特殊需要的时候热阻又变成无限大呢？答案是肯定的，人们在实践中发明了这种部件——热开关。

　　热开关的种类有很多，但可应用于稀释制冷机的热开关，此前在我国的发展还严重滞后，已在国外稀释制冷机产品中获得应用的热开关，往往也是连同整机一起禁运的。有鉴于此，党海政研究员带领的bwin必赢国际科技和上海技物所联合研究团队，基于实用化稀释制冷机的迫切需求，近期研制出一种新型的环路气隙热开关，它具有旋转对称结构，内部密布环形肋片以增强热传导效果。联合研究团队首先提出了考虑氦气工质在宽泛温区内实际气体性质的数值仿真模型，继而系统地模拟了热开关内部的传热与流动特性，其中对系统充气压力、冷端工作温度、环形肋片壁厚和壁高等关键参数对平均热导率的影响做了详细研究，最后结合实际的稀释制冷机样机，实验验证了所提出模型以及具体设计的合理性。相关研究结果已于近期发表在低温制冷领域国际期刊《Cryogenics》上。