【儀表網 研發快訊】近日，上海技物所空間深低溫制冷團隊同浙江大學浙大城市學院低溫中心合作，開展多級復合預冷機、多級直流壓縮機、大溫跨深低溫節流組件等的結構創新，提出了一種斯特林/脈管/氦節流復合制冷方案。團隊研制的實驗樣機獲得了0.36 W@4.18 K制冷性能，本體重量約26.8 kg，制冷量/質量比為13.4 mW/kg，整機功耗約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，發表在制冷領域國際期刊《國際制冷學報》(International Journal of Refrigeration)上。
當前，國際上空間用氦節流制冷機在4 K溫區的制冷量普遍小于100 mW，具有較大冷量的JAXA工程樣機性能約為 50.1 mW@4.42 K，其制冷量/質量比為1.63 mW/kg。氦節流制冷循環是目前空間1-10 K溫區的主流制冷方案之一，相較于多級斯特林制冷機或多級脈管制冷機等主流方案，具有高制冷效率、長壽命、以及遠距離低振動供冷等顯著優勢。氦節流制冷循環多個子系統的優化設計及鏈路間參數優化匹配對整機性能具有關鍵影響，如何在有限條件下進一步提升輕質、實現高效、高可靠綜合指標，是實現氦節流制冷機大冷量高效輕量化的關鍵。
項目研究團隊提出的新型斯特林/脈管/氦節流的復合制冷方案，采用了低溫高效功回收調相、活塞氣浮軸承、內置低損單向閥、狹縫式液氦高效換熱器等創新性效能提升技術。該方案同時具備大冷量、輕量化和高效率等特點，通過構建多制冷形式及部件間參數匹配模型，實現了空間用4 K溫區氦節流制冷機百毫瓦級的大冷量高效輕量化制冷，綜合性能指標處于國際先進水平，其中制冷性能指標為目前已報道的同類型制冷機最優水平，制冷量/質量比首次突破10 mW/kg，對后續氦節流制冷機的工程化發展以及我國量子光鐘、中遠紅外探測器、超導單光子探測器的空間應用具有重要意義。論文審稿專家給予了“實驗結果非常出色”“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院申運偉特聘副研究員。
該研究獲得了中國科學院戰略性先導科技專項(B類)、國家自然科學基金等項目資助。
a) 斯特林/脈管/氦節流復合制冷機系統原理圖；b)特林/脈管/氦節流復合制冷機系統實驗裝置示意圖
c)制冷機樣機
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