近日，上海技物所空間深低溫制冷團(tuán)隊同浙江大學(xué)浙大城市學(xué)院低溫中心合作，開展多級復(fù)合預(yù)冷機(jī)、多級直流壓縮機(jī)、大溫跨深低溫節(jié)流組件等的結(jié)構(gòu)創(chuàng)新，提出了一種斯特林/脈管/氦節(jié)流復(fù)合制冷方案。團(tuán)隊研制的實(shí)驗(yàn)樣機(jī)獲得了0.36 W@4.18 K制冷性能，本體重量約26.8 kg，制冷量/質(zhì)量比為13.4 mW/kg，整機(jī)功耗約1157 W。研究成果以“Essential Improvement of the JT Cryocooler Working at Liquid Helium Temperature for Space: Efficient and Lightweight”為題，發(fā)表在制冷領(lǐng)域國際期刊《國際制冷學(xué)報》（International Journal of Refrigeration）上。

當(dāng)前，國際上空間用氦節(jié)流制冷機(jī)在4 K溫區(qū)的制冷量普遍小于100 mW，具有較大冷量的JAXA工程樣機(jī)性能約為 50.1 mW@4.42 K，其制冷量/質(zhì)量比為1.63 mW/kg。氦節(jié)流制冷循環(huán)是目前空間1-10 K溫區(qū)的主流制冷方案之一，相較于多級斯特林制冷機(jī)或多級脈管制冷機(jī)等主流方案，具有高制冷效率、長壽命、以及遠(yuǎn)距離低振動供冷等顯著優(yōu)勢。氦節(jié)流制冷循環(huán)多個子系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計及鏈路間參數(shù)優(yōu)化匹配對整機(jī)性能具有關(guān)鍵影響，如何在有限條件下進(jìn)一步提升輕質(zhì)、實(shí)現(xiàn)高效、高可靠綜合指標(biāo)，是實(shí)現(xiàn)氦節(jié)流制冷機(jī)大冷量高效輕量化的關(guān)鍵。

項(xiàng)目研究團(tuán)隊提出的新型斯特林/脈管/氦節(jié)流的復(fù)合制冷方案，采用了低溫高效功回收調(diào)相、活塞氣浮軸承、內(nèi)置低損單向閥、狹縫式液氦高效換熱器等創(chuàng)新性效能提升技術(shù)。該方案同時具備大冷量、輕量化和高效率等特點(diǎn)，通過構(gòu)建多制冷形式及部件間參數(shù)匹配模型，實(shí)現(xiàn)了空間用4 K溫區(qū)氦節(jié)流制冷機(jī)百毫瓦級的大冷量高效輕量化制冷，綜合性能指標(biāo)處于國際先進(jìn)水平，其中制冷性能指標(biāo)為目前已報道的同類型制冷機(jī)最優(yōu)水平，制冷量/質(zhì)量比首次突破10 mW/kg，對后續(xù)氦節(jié)流制冷機(jī)的工程化發(fā)展以及我國量子光鐘、中遠(yuǎn)紅外探測器、超導(dǎo)單光子探測器的空間應(yīng)用具有重要意義。論文審稿專家給予了“實(shí)驗(yàn)結(jié)果非常出色”“文章條理清晰，意義重大”的評價。

本論文第一作者為上海技物所陳志超博士，通訊作者為上海技物所劉少帥啟明星研究員和浙大城市學(xué)院申運(yùn)偉特聘副研究員。

該研究獲得了中國科學(xué)院戰(zhàn)略性先導(dǎo)科技專項(xiàng)（B類）、國家自然科學(xué)基金等項(xiàng)目資助。

a） 斯特林/脈管/氦節(jié)流復(fù)合制冷機(jī)系統(tǒng)原理圖；b）特林/脈管/氦節(jié)流復(fù)合制冷機(jī)系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)裝置示意圖

c）制冷機(jī)樣機(jī)

論文鏈接：https://doi.org/10.1016/j.ijrefrig.2024.08.006

供稿、供圖：陳志超、劉少帥

編輯：金崢杰