2023-01-11

　　近日，上海铂钺制冷科技有限公司作为重要参研单位研制成功五级高频脉冲管制冷机并实验获取2.2K（-270.95℃），这是迄今为止公开报道的以纯粹的高频脉冲管制冷循环所实际获取的最低温度，相关工作在低温制冷领域国际权威期刊《CRYOGENICS》上以理论和实验篇连续发表。
 

　　脉冲管制冷机在冷端取消了运动部件，实现了冷端的无磨损、低振动、高可靠和长寿命。它可以采用两类驱动源驱动，一类是类似于驱动GM制冷机的有油润滑的有阀氦压缩机，在1~2K的低频工作，称为低频（或GM型）脉冲管制冷机；另一类是类似于驱动线性斯特林制冷机的无油润滑的无阀线性压缩机，在高于20Hz的高频工作，称为高频（或斯特林型）脉冲管制冷机。低频脉冲管制冷机结构松散、体积庞大、振动大、制冷效率低、工作寿命短（典型为8,000小时），仅可应用于地面以及对振动、噪声、工作空间和寿命均无严格要求的场合，其优点是可以获得较大制冷量和较低制冷温度（其代价当然是更高的功耗）。高频脉冲管制冷机结构紧凑、振动和电磁干扰小、制冷效率高、工作寿命长（典型为5年以上），可应用于航空航天以及其它对振动、噪声、工作空间和寿命都有严格要求的特殊场合。

图1-五级高频脉冲管制冷机理论模型

 

　　此前，低频脉冲管制冷机已经有最低制冷温度可达2.2~2.3K的商业化产品；但高频脉冲管制冷机的最低制冷温度长期徘徊在3.0~3.3K，其中最低温度纪录由美国洛克希德•马丁高技术研究中心保持，本公司技术团队参研的四级高频脉冲管制冷机的最低温度与之基本持平（参见本公司2019年12月5日新闻）。由本公司技术总监党海政带领的联合研制团队在上述四级方案基础上，在国际上率先提出五级制冷循环方案，经过长达3年的艰苦攻关，成功将高频脉冲管制冷机的最低制冷温度推进至2.2K，这是迄今为止公开报道的以纯粹高频脉冲管制冷循环所实际获取的最低温度。

图2-五级高频脉冲管制冷循环流程

 

　　2.2K高频脉冲管制冷机的研制成功，使其与低频脉冲管制冷机可实际利用的最低制冷温度持平，因而应用前景获得大幅扩展。同时，其作为预冷前级，将为复合制冷或稀释制冷等极低温制冷循环获得更优性能或更深低温提供了更有利的前级基础。

　　尤其值得一提的是，该五级高频脉冲管制冷机可以同时实现在80K、30K、12K、6K和3.5K等五个典型温度点同时取冷，能够以单台制冷机同时满足如短波、中波、长波、甚长波段红外探测器和低温超导电子学器件的制冷需求，对于低温制冷系统的集成性和多功能化意义深远。而如果不在多温区取冷而仅在4.2K温度点制冷，则可以实现以350W的较小输入功率即可获得75.5mW的净制冷量，这意味着假如提供给低频GM制冷机典型的13kW输入功率，则4.2K的净制冷量将超过2.8W，其4.2K的制冷效率优于目前已知的所有低频脉冲管制冷机产品的典型值。上述性能特点展示出其卓越的制冷性能，并预示了其广阔的应用前景。以此五级高频脉冲管冷指耦合大扫气容积、大输入功率线性压缩机以获取高制冷功率的工作正在开展中。目前未进行优化的初步测试结果为，以7.8kW的输入功率可在4.2K获得1.35W的净制冷量。
 

　　上海铂钺制冷科技有限公司作为重要参研单位为2.2K五级高频脉冲管制冷机的成功研制做出了积极贡献，感谢合作单位中科院上海技术物理研究所红外物理国家重点实验室、上海量子科学研究中心以及中国科学院大学的大力支持。本工作得到国家自然科学基金、上海市科委重大项目，上海市市级重大科技专项、上海市产业协同创新项目等的资助。

图3-五级高频脉冲管制冷机整机和内部结构布置


图4-五级高频脉冲管制冷机典型实验性能

 

　　论文链接1：理论建模部分：https://doi.org/10.1016/j.cryogenics.2023.103630

　　论文链接2：实验验证部分：https://doi.org/10.1016/j.cryogenics.2023.103631

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