低温制冷机是用于外科手术和药物开发、半导体制造和宇宙飞船的超低温制冷装置。它们可以是管道,泵,桌面尺寸,或更大的冰箱系统。


蓄热式换热器,又称蓄热器,是制冷机的核心部件。在低于10开尔文(-441.67华氏度)的温度下,性能急剧下降,最大再生器损失超过50%。

中科院研发4 K脉冲管低温冷却器 制冷效率提高了30%以上

中国科学院理化技术研究所研究人员研制的4 K脉冲管低温冷却器


他们的论文发表在由AIP出版社出版的《应用物理快报》上,中国科学院大学的研究人员使用超活性炭颗粒作为一种替代再生材料,以提高在低至4开尔文的温度下的冷却能力。


在大多数低温制冷机中,压缩机驱动室温气体通过再生器。再生器从压缩中吸收热量,冷却后的气体膨胀。振荡的超冷气体吸收蓄热器中的热量,然后重复这个过程。


氮是冷冻器中最常用的气体。但对于需要温度低于10开尔文的应用,如太空望远镜仪器和磁共振成像系统,氦是被使用的,因为它的沸点是所有气体中最低的,可以达到最低的温度。


然而,氦的高比热(改变物质温度所需的传热量)导致在低温压缩和膨胀循环过程中出现较大的温度波动,严重影响冷却效率。


为了解决这个问题,研究人员用活性炭取代了再生器的传统稀土金属,活性炭是用二氧化碳或过热蒸汽在高温下处理的碳。这就产生了微米大小的孔洞基质,增加了碳的表面积,使再生器能够在低温下保存更多的氦,并带走更多的热量。


研究人员使用了一个4开尔文的Gifford-McMahon制冷机来测试孔隙率为0.65的超活性炭颗粒在3-10开尔文的不同温度范围内对氦气的吸附能力。

中科院研发4 K脉冲管低温冷却器 制冷效率提高了30%以上

他们发现,当他们用直径在50到100微米之间的5.6%的碳填充再生器时,获得的空载温度为3.6开尔文,与使用贵金属相同。然而,在4开尔文时,冷却能力增加了30%以上。


他们将椰壳活性炭放入他们建造的实验脉冲管中,并使用热力学计算模型,证实了性能的改善。


除了提供更多的冷却能力,活性炭可以作为一种低成本的贵金属替代品,也可以受益于对磁性敏感的低温探测器,作者刘彪陈说。


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