近日，上海技物所空间深低温制冷团队同浙江大学浙大城市学院低温中心合作，开展多级复合预冷机、多级直流压缩机、大温跨深低温节流组件等的结构创新，提出了一种斯特林/脉管/氦节流复合制冷方案。团队研制的实验样机获得了0.36 W@4.18 K制冷性能，本体重量约26.8 kg，制冷量/质量比为13.4 mW/kg，整机功耗约1157 W。研究成果以“Essential Improvement of the JT Cryocooler Working at Liquid Helium Temperature for Space: Efficient and Lightweight”为题，发表在制冷领域国际期刊《国际制冷学报》（International Journal of Refrigeration）上。
当前，国际上空间用氦节流制冷机在4 K温区的制冷量普遍小于100 mW，具有较大冷量的JAXA工程样机性能约为 50.1 mW@4.42 K，其制冷量/质量比为1.63 mW/kg。氦节流制冷循环是目前空间1-10 K温区的主流制冷方案之一，相较于多级斯特林制冷机或多级脉管制冷机等主流方案，具有高制冷效率、长寿命、以及远距离低振动供冷等显著优势。氦节流制冷循环多个子系统的优化设计及链路间参数优化匹配对整机性能具有关键影响，如何在有限条件下进一步提升轻质、实现高效、高可靠综合指标，是实现氦节流制冷机大冷量高效轻量化的关键。
项目研究团队提出的新型斯特林/脉管/氦节流的复合制冷方案，采用了低温高效功回收调相、活塞气浮轴承、内置低损单向阀、狭缝式液氦高效换热器等创新性效能提升技术。该方案同时具备大冷量、轻量化和高效率等特点，通过构建多制冷形式及部件间参数匹配模型，实现了空间用4 K温区氦节流制冷机百毫瓦级的大冷量高效轻量化制冷，综合性能指标处于国际先进水平，其中制冷性能指标为目前已报道的同类型制冷机最优水平，制冷量/质量比首次突破10 mW/kg，对后续氦节流制冷机的工程化发展以及我国量子光钟、中远红外探测器、超导单光子探测器的空间应用具有重要意义。论文审稿专家给予了“实验结果非常出色”“文章条理清晰，意义重大”的评价。
本论文第一作者为上海技物所陈志超博士，通讯作者为上海技物所刘少帅启明星研究员和浙大城市学院申运伟特聘副研究员。
该研究获得了中国科学院战略性先导科技专项（B类）、国家自然科学基金等项目资助。
a） 斯特林/脉管/氦节流复合制冷机系统原理图；b）特林/脉管/氦节流复合制冷机系统实验装置示意图
c）制冷机样机
论文链接：https://doi.org/10.1016/j.ijrefrig.2024.08.006
供稿、供图：陈志超、刘少帅
编辑：金峥杰
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