以氦-3为工质的回热式气体制冷机性能分析

现有液氦温区回热式低温制冷机的实验测量和理论仿真研究几乎都采用氦-4为工质,改用氦-3为工质时低温制冷机理论上可突破氦-4的λ相变限制,获得低于2K的无负荷制冷温度,并在液氦温区获得更大制冷量.通过比较氦-3与氦-4的热物理性质差异以及低温制冷机回热器仿真计算,从回热器损失、制冷量、相对COP等多个方面定量分析了分别采用氦-3和氦-4为工质时低温回热器的性能.证明氦-3工质可以显著改进回热式气体制冷机的低温制冷性能.     

向“低温”进军

奇妙的"低温世界"数九寒天,北风刺骨,天寒地冻。我国北方地区气温在零下20多摄氏度,而在地球的两极则更寒冷,最冷的地方在南极为零下88.3摄氏度,被称为"世界寒极"。在月球的阴面,温度为零下160摄氏度,而在宇宙深处则更低,达零下270摄氏度左右。     

世界最大对撞机将制造宇宙最低温度

在法国和瑞士边界下修建的大型强子对撞机（LHC）正在制造一个宇宙中最冷的纪录，它将进入把温度降低到1．9绝对温标（零下271摄氏度，或零下456华氏度），目前已经进入实现这一目标的最后阶段。     

一种用于冲击压缩实验并设有10 K气冷屏的液氦温度低温靶

液氦的冲击压缩实验是一种获取样品氦在高温高密度下性质的可行途径. 介绍了一种自研制的应用于100 Pa环境中的液氦温度低温靶, 该低温靶具有独立真空夹层和气冷屏的结构设计, 获得了3.63 K的最低温度和3.7 K的稳定温度, 降温过程和温度稳定性都完全满足冲击压缩实验的要求. 为了研究低温靶的绝热性能, 利用Fluent对低温靶热分析, 计算结果与实验结果吻合较好, 计算方法可以有效用于低温靶的优化设计.     

火星大气

火星上非常寒冷,火星的表面温度在昼夜之间变化很大,白天的最高温度为20摄氏度,但全年的表面平均温度只有零下63摄氏度,表面最低温度竟然低至零下140摄氏度。     

液氦温区分离型二级脉管制冷机研究

研制了一台液氦温区分离型二级脉管制冷机. 该制冷机由两台独立的脉管制冷机组成, 一级回热器冷端和二级回热器中部通过热桥相连, 从根本上弥补了传统耦合型多级脉管制冷机级间干扰的不足. 单独测试第1级脉管最低制冷温度达到13.8 K, 这是单级脉管制冷机最低制冷温度新纪录. 采用双压缩机双旋转阀驱动该二级脉管, 第2级最低制冷温度达2.5 K, 并可同时在4.2 K和37.5 K获得508 mW和15 W制冷量. 为了简化结构、扩大应用, 首次采用单压缩机单旋转阀驱动分离型脉管制冷机, 达到了相同的制冷性能.     

以氦-4为唯一工质的1.8 K复合制冷机及其应用验证

量子信息技术和深空探测等领域的蓬勃发展,对2 K以下温区高可靠、长寿命、小型轻量化、高制冷效率低温制冷机的需求日益迫切,高频脉冲管耦合Joule-Thomson(JT)的复合制冷循环是实现这一目标的重要手段.目前国际上以该循环获得2 K以下温区的成功实践,均是在脉冲管分系统使用氦-4而JT分系统使用氦-3作为循环工质的情况下获得的.氦-3在地球上存量稀少、价格高昂,是阻碍这一循环在更广范围内实用化的关键瓶颈.本文对以氦-4为唯一工质的四级高频脉冲管耦合JT的复合制冷循环开展了理论与实验研究,分析了基于该循环获取2 K以下温度的关键难点和可行性,从采用间隙密封的直流线性压缩机的低压压力和多级间壁式回热器的低压侧压降损失入手,理论预测出在40 kPa系统充气压力下可实现1.1 kPa的压缩机吸气压力和438.6 Pa的低压侧总压降,从而能获得1.54 kPa的饱和蒸气压,此时采用氦-4节流可实现1.78 K的制冷温度.同时,在氦-4超流态工况下,分析了小界面温差的Kapitza热导对冷头蒸发器内超流氦热传递的影响,并给出了在此基础上JT循环参数优化的限制条件.设计出的制冷机的无负荷温度经过...     

大型氦气螺杆压缩机核心技术研究开发与应用

大型氦低温制冷技术是支撑空间技术和前沿基础科学等研究的关键技术.氦气喷油式螺杆压缩机是实现大型氦低温制冷循环的一种核心设备,技术难度高于一般气体介质的压缩机,是螺杆式压缩机技术制高点之一.针对压缩氦气容易泄漏和冷却难两大技术挑战,我们研究了适用于氦气工质高效率压缩的核心技术,包括转子新型线开发、喷油雾化冷却、高效率油-氦气分离技术等.提出了转子内部泄漏归一化权重分析方法和复杂多变量整体优化方法,开发出N＿He和I两种适用于氦气压缩的流线型非对称新型线,动力学上更利于油膜形成,进一步提高了容积效率;根据螺杆转子热弹变形分析,采用补偿法设计调整转子间隙,提高了运行的可靠性.研究形成了单机压比范围为4～15和容量排量范围为100～10000 Nm³/h的成熟工业化产品,不同型号的性能指标达到或优于国际同等产品.研发的产品在国家重大低温装备、航天级氢液化、核工业、可控核聚变和氦工业等战略领域都获得了长期稳定的成功应用,促进了我国超导研究、前沿科学、氢能源和航天事业等领域的发展.     

30K温区百瓦级二级斯特林制冷机

30 K温区大冷量回热式低温制冷机在超导冷却、气体液化等领域具有广阔的应用前景.相较于其他类型的低温制冷机,斯特林制冷机具有结构紧凑、降温速率快、效率高等优势.基于理论分析和数值计算结果研制了一台大冷量二级斯特林制冷机,并对其开展了初步的实验研究.对不同工况下制冷机的压力波特性以及室温端换热器的换热特性进行研究,发现提高充气压力,压缩腔的压力振幅会提高,室温端换热器的换热量提高.提高第二级制冷温度,压缩腔的压力振幅与室温端换热器的换热量减小,且其减小速率均随制冷机第一级热负荷的增加而提高.制冷机无负荷工作时,每提高0.1 MPa充气压力,制冷机第二级制冷温度降至30 K的平均降温速率提高0.72 K/min.在2.6 MPa充气压力时,制冷机第二级可在13.24 min内降至30 K,最终无负荷制冷温度为19.83 K,此时第一级制冷温度为71.2 K.在第一级无热负荷时,该制冷机在30 K时可提供110 W制冷量,相对卡诺效率为10.96%,这是目前国内该类型低温制冷机公开报道的最高性能.     

神奇的"冷刀"治疗肿瘤

冰冻热爆治癌"刀刀"见效 去年4月,上海海军411医院进来一位70多岁的肺癌患者.医生认为采用常规的放疗和化疗对这类癌肿不敏感,而且副作用大,就决定用一种新的手术治疗.医生从病人的胸部切开一个小切口,在CT定位下,将一种叫"氩氦刀"的"新型武器"直接准确地插入肺癌肿块内,通过氩气的作用,10分钟内使肿瘤组织冷冻至零下130摄氏度,形成冰球后再借助氦气使冰球融化,杀死肿瘤细胞.目前这位患者的肿块已缩小70%,病情稳定.     

探测低能量太阳中微子的低温两相电子泡探测器

提出并设计了一种新型的低温两相中微子探测器, 它利用电子泡在液氦池中特殊的传输特性, 实时、高效地测量了来自太阳质子-质子反应产生的低能量中微子. 该电子泡探测器的工作原理类似于时间投影室, 当入射中微子进入到探测介质液氦池中后, 与氦原子发生作用, 会激发弹性散射电子, 通过测量这些散射电子的能量及轨迹并与放射性背景信号分开, 就可以反推出入射中微子的能量和其他性质. 由于散射电子的信号很弱, 因此使用位于液面上方饱和蒸汽区的气体电子倍增器放大电子信号. 这种技术的突出优点是具有极高的空间分辨率和很好地抑制电离信号反馈的功能. 基于气体电子倍增器读取电信号和高精度CCD相机以进行探测光信号的新型时间投影室的研究, 目的是建造一个三维的空间分辨率为几个毫米量级的大型液氦低温探测器, 以探测能量低至100~200 keV的太阳中微子.     

“人造太阳”中的“冰”——EAST低温系统

在"人造太阳"EAST装置的内部,除了存在几千万度的高温等离子体外,还存在由低温系统提供的4.5 K(-268.65℃)低温超临界氦,将超导磁体冷却至临界温度以下,使其工作保持在超导态。EAST低温系统是目前中国最大的氦低温系统,其当量制冷量超过2 k W/4.5 K。首先介绍了EAST低温系统的工作原理与系统组成,然后描述了压缩机站、制冷机、分配系统和低温测量控制系统,最后简单阐述了EAST低温系统的运行情况。     

说说超导体

1911年荷兰科学家昂乃斯把气体氦液化后,得到了极低的温度——零下269℃（4.2K）,昂乃斯立刻用水银做了低温下的通电实验。奇怪,那冻成了固体的水银导线电阻突然消失了,变为零。这个实验震动了物理学界,人们把这种低温下电阻为零的现象叫作“超导现象”,把那些可以产生超导现象的材料称为“超导体”,把产生超导现象的温度叫作“临界温度”,也叫作“转变温度”。     

Bi系高T_c超导磁振子天线的研究

现代无线电技术对天线提出了小型、轻便、平嵌等一系列要求,然而小型铜天线的效率都很低,因此,自60年代以来人们便尝试用超导体制做天线,以期获得有较高效率的小天线。那时,人们已知道只有几种低温超导材料(例如Pb)有较好的高频特性,利用这些材料研制的在液氦中工作的超导天线确已显示出很好的性能。但是,由于种种原因(首先是液氦系统     

别墅探秘

一知道那所房子,也算是一个巧合。那天正好赶上大寒节气,呼出的水蒸气几乎可以凝结成小冰晶,我和谢泽相约一同上学。一路上,到处可以听到"吱吱"的响声,那是水在凝固的声音。据气象预报,今天的温度已经到了零下20摄氏度,是近二十年中     

中子瓶

英国牛津仪器公司声称他们已将世界上第一个商品生产的低温中子瓶交付给法国格勒诺布尔的朗芝万研究所。该中子瓶是一个3米长的不锈钢瓶,充以纯液氦并能在0.6°K 温度下无限期的工作。中子由纯氦冷却成超冷中子并贮存于瓶中。中子可通过工作于0.6°K 的机械阀放出到实验室中。利用此瓶的首批实验之一是探究中子的电偶极矩,其灵敏     

水伏科学与技术的召唤

正水覆盖了约71%的地球表面,占人体重量约70%,在细胞里的含量可达80%.水与能量相生,维持着大至地球系统的能量循环,小至生物体的温度平衡,是天然的吸能器、储能器、换能器和传能器.水吸收了太阳辐射到达地表能量的近70%,在地球上动态吸纳释放能量的年平均功率高达60万亿千瓦(10~(15)瓦),比全人类目前年平均能量消耗功率高3个数量级.     

中子的超低温约束

一般说来,将中子约束在容器中不是一件容易的事,理论上考虑的几种方法中,最有希望的是超低温约束法。有人提出用10A的低温中子在约为1K的液氦中散射而获得超低温中子(UCN)源。液氦     

计及恢复、弛豫效应的含杂质超流氦Ⅱ的Landau-Khalatnikov方程

Landau、Khalatnikov建立的氦Ⅱ的流体动力学方程组(L-K方程)是研究氦Ⅱ动力学行为的基本方程。几十年来,由L-K方程导出的各种结果,已受到了实验的验证。但是,随着实验技术的发展,也揭示了L-K方程中的一些固有困难。所谓的“有限几何效应”就是一个重要的方面。实验的结果表明,在相同的条件下,特征长度很小的容器中氮Ⅱ的超流密度要比大     

2024年值得期待的11个有趣的工程里程碑

<正>地心历险记为了释放地热能源的太瓦级潜力,麻省理工学院（MIT）初创公司奎兹能源（Quaise Energy）计划于2024年测试一种深层钻机。该设备将使用高功率毫米波技术,将岩石柱熔化至10～20公里的深度,此处温度可达500摄氏度。其“更深、更热、更快”的战略将从旧的油气钻探结构入手,通过从回旋管爆发的辐射来蒸发地下的坚硬岩石。该公司表示,利用这种超高温地热能可能是2050年实现净零排放目标的关键。