中科院自主研發「250W@4.5K氦制冷機」完成調整優化後交付應用

2020-12-03 儀器網

氦是最不活潑的元素,而且極難液化。氦的應用主要是作為保護氣體、氣冷式核反應堆的工作流體和超低溫冷凍劑等等。氦氣在衛星飛船發射、飛彈武器工業、低溫超導研究、半導體生產等方面具有重要用途。

經過一年兩個月的努力中科院合肥研究院等離子體所低溫工程與技術室自主研發出一臺250W@4.5K氦制冷機,其液化率與製冷量均高於設計值。此臺氦制冷機將用於中科大先進光源超導高頻腔測試,液化模式下的液化率為75L/h。此臺氦制冷機完成第一輪工程調試後將進行系統及自動控制優化,最終完成全部產品的交付應用。

液氦製冷原理

用液氦冷卻汞,當溫度下降到4。2K時,水銀的電阻完全消失,這種現象稱為超導電性,此溫度稱為臨界溫度。根據臨界溫度的不同,超導材料可以被分為:高溫超導材料和低溫超導材料。 但這裡所說的「高溫」,其實仍然是遠低於冰點攝氏0℃的,對一般人來說算是極低的溫度。這樣低的溫度下,氫也變成了固體,與空氣接觸時,空氣會立刻在液態氦的表面上凍結成一層堅硬的蓋子。

低溫超導技術

要說缺乏氦氣最嚴重的後果,也無非是嚴重阻礙低溫技術的應用,其中受到最大影響的就是低溫超導技術了。現在已知所有的超導材料都要在-130℃以下的低溫中才能表現出超導特性,其中應用最廣泛的那幾種(比如Nb3Sn)更是需要比液氫的沸點還低的轉變溫度,這時候只有液氦能比較簡便地實現這樣的極低溫。雖然我們完全可以用別的辦法實現同樣的低溫,但都不如液氦實惠。顯然,假如我們沒有氦,低溫超導技術的普及就會受到嚴重的阻礙;低溫超導技術如果不能普及,醫院就會用不起核磁共振成像儀(它需要超導材料製造強磁場)。

延伸閱讀:

制冷機將具有較低溫度的被冷卻物體的熱量轉移給環境介質從而獲得冷量的機器。從較低溫度物體轉移的熱量習慣上稱為冷量。制冷機內參與熱力過程變化(能量轉換和熱量轉移)的工質稱為製冷劑。製冷的溫度範圍通常在120K以上,120K以下屬深低溫技術範圍。制冷機廣泛應用於工農業生產和日常生活中。

三種原理的制冷機

1、壓縮式制冷機。依靠壓縮機的作用提高製冷劑的壓力以實現製冷循環,按製冷劑種類又可分為蒸汽壓縮式制冷機(以液壓蒸發製冷為基礎,製冷劑要發生周期性的氣-液相變)和氣體壓縮式制冷機(以高壓氣體膨脹製冷為基礎,製冷劑始終處於氣體狀態)兩種,現代制冷機以蒸汽壓縮式制冷機應用最廣。

2、吸收式制冷機。依靠吸收器-發生器組(熱化學壓縮器)的作用完成製冷循環,又可分為氨水吸收式、溴化鋰吸收式和吸收擴散式3種。

3、蒸汽噴射式制冷機。依靠蒸汽噴射器(噴射式壓縮器)的作用完成製冷循環。④半導體製冷器。利用半導體的熱-電效應製取冷量。

新聞來源:中國科學院合肥物質科學研究院、百度

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