氦制冷方式
氦制冷在空间制冷技术中的应用
氦制冷在空间制冷技术中的应用
1 基本介绍
氦制冷（Helium Cooling）是一种特殊的空间制冷技术，主要利用氦气在吸收和释放能量过程中产生膨胀和收缩现象来实现制冷或加热的效果，以满足空间固体颗粒、液体、气体或混合体状态物质的制冷或加热要求。
由于氦气的制冷性受到压力的限制，在制冷作用中必须进行复杂的控制和调整，使得这种制冷技术用在空间环境中十分有效，能够满足对制冷的特殊要求。
2 原理
氦制冷技术的原理主要是利用氦气溶液（helium solution）作为热传动介质，使氦迅速地沿着热路径传递热量，当氦气沿着热通道流动时，它会膨胀并吸收热量，然后又收缩并释放热量，从而实现制冷和加热的效果。
3 应用
氦制冷技术主要应用于卫星、航天器，以及其他航空器以及宇宙空间环境中。
它可用于制冷卫星和航天器上的空气，以改变器件的工作环境，使用这种技术可以有效降低工作环境温度，以支撑卫星和航天器上器件的正常运行，以及解决太空环境中因受高温辐射而造成的工作故障。
此外，氦制冷技术加上色散结构还可用于空间环境中的快速制冷和热散，以处理空间环境中出现的高温状况，也可以满足宇宙空间环境的特殊需求。
氦制冷系统透平膨胀机的测试
低 温 技 术
Ｃｒ ｙ ｏ ｇ ｅ ｎ ｉ ｃ ｓ
Ｃ ｒ ｙ ｏ ． ＆Ｓ ｕ ｐ ｅ ｒ ｃ ｏ ｎ ｄ ． Ｖｏ １ ． ４统 透 平膨 胀 机 的测试
孙郁 ， 孙立佳 ， 任小坤 ， 高元景 ， 张武
１ 引 言
中国散裂 中子 源 （ Ｃ Ｓ Ｎ Ｓ ） 是国家“ 十一 五 ” 期
反 动式 透平 膨胀 机 ， 透平 膨胀 机 由通流 部分 、 制 动 部分 和机 体 部分 组 成 ， 其 中通 流 部 分是 获 得 低 温 的主要部 件 。氦 气 从 管 道 进 入 膨胀 机 的蜗 壳 ， 蜗 壳把 气 流均 匀 的分 配 给 喷 嘴 ， 气 流 在 喷 嘴 中进 行
（ １ ． 中国科学 院理化技术研究所 ，北京 １ ０ ０ １ ９ ０ ； ２ ． 航 天低温推进剂技术 国家重点实验室 ， 北京 １ ０ ０ ０ ２ ８ ） 摘要 ： 为满足 中国散裂 中子源 （ Ｃ Ｓ Ｎ Ｓ ） 工程预 期发展及未来工程升级 需要 ， 建立 了一套氦制 冷系统 。该制 冷系
２ ． Ｓ ｔ ａ ｔ ｅ Ｋ ｅ ｙ Ｌ ａ ｂ ｏ ｒ ａ ｔ ｏ ｙ ｒ ｏ ｆ Ｔ ｅ ｃ ｈ ｎ ｏ ｌ ｏ ｇ ｉ ｅ ｓ ｉ ｎ Ｓ ｐ ａ ｃ ｅ Ｃ ｙｏ ｒ ｇ ｅ ｎ ｉ ｃ Ｐ ｒ ｏ ｐ ｅ ｌ ｌ ａ ｎ ｔ ｓ ，Ｂ ｅ ｒ ｉ ｎ ｇ １ ０ ０ ０ ２ ８ ，Ｃ ｈ ｉ ｎ ａ ）
Ｔｅ ｓ ｔ ｉ ｎ ｇ ｆ ｏ ｒ ｔ ｕ ｒ ｂｉ ｎ ｅ ｏ ｆ ｈｅ ｌ ｉ ｕ ｍ ｒ ｅ ｆ ｒ ｉ ｇ ｅ ｒ ａ ｔ ｉ ｏ ｎ ｓ ｙ ｓ ｔ ｅ ｍ
Ｓ ｕ ｎ Ｙ ｕ ， Ｓ ｕ ｎ Ｌ ｉ ｊ ｉ ａ ， Ｒ ｅ ｎ Ｘ ｉ ａ ｏ ｋ ｕ ｎ ， Ｇ ａ ｏ Ｙ ｕ ａ ｎ ｊ ｉ ｎ ｇ ， Ｚ ｈ ａ ｎ ｇ Ｗｕ ， 。 （ １ ． Ｔ ｅ ｃ ｈ ｎ ｉ ｃ ａ ｌ Ｉ ｎ ｓ ｔ ｉ ｔ ｕ ｔ ｅ ｏ ｆ Ｐ ｈ ｙ ｓ ｉ ｃ ｓ ａ ｎ ｄ Ｃ ｈ ｅ ｍ ｉ ｓ ｔ ｒ ｙ ，Ｃ ｈ ｉ ｎ ｅ ｓ ｅ Ａ ｃ ａ ｄ ｅ ｍ ｉ ｃ ｏ ｆ Ｓ ｃ ｉ ｅ ｎ ｃ ｅ ，Ｂ ｅ ｉ ｊ ｉ ｎ ｇ １ ０ ０ １ ９ ０ ，Ｃ ｈ ｉ ｎ ａ ；
01-氦液化循环和氢液化循环PPT
i制冷与低温i 技术原理
氦液化循环和 氢液化循环
氨液化循环----------------
■标准沸点为4.2K ■临界温度为5.2K •转化温度46K, 7K以下节流可能产生液氨 ― 故：必须预冷+节流，或膨胀对外输出功+节流
氨液化循环
一.节流氦液化循环 二,■带膨胀机的氨液化循环 三■其它型式的氨液化循环
三■其它型式的氨液化循环
•双压力 •双膨胀机、两级节流 •附加制冷循环 • 利用夕陪B制冷机分级冷却
氨液化循环
氢液化循环
一■节流氢液化循环 二,■带膨胀机的氢液化循环 三■氨制冷的氢液化循环
氢液化循环
"H2
一■节流氢液化循环
•—次节流 •二次节流
•液氮预冷
Ill
预冷温度如何确定?
6
V
IV
氢液化循环
二■带膨胀机的氢液化循环 •液氮预冷 •中温膨胀
T-S图如何表示?
2 • ♦ 14 4 11
LN2
~n
1_
| 忡 |
I V
氢液化循环
二■带膨胀机的氢液化循环 •液氮预冷
•膨胀气中压返回
II I
I V
V
氢液化循环
三■氨制冷的氢液化循环 一种安全可靠的氢液化循环
He
-<l|
I
H2
11
IV
思考
或 氨气采用了哪种循环 氢气T-S图如何表示
氨液化循环
一■节流液化循环
•预冷的必要性、重要性 •预冷温度，可分级预冷
•夕卜部预冷介质：LN2, LH2
Zpr (1-Zpr)
液N2 13 液H2
VI
氨液化循环
(完整版)氦稀释制冷机
稀释制冷机是1962年首先由Heinz London提出的，它的制冷过程中使用了氦的二种稳定同位素3He和4He的混合物作为制冷剂。
这个过程要依赖3He和4He特殊的热力学特征。
氦是所有气体中沸点最低的，是最难液化的气体。
氦在大气中含量极低，只有5×10-6体积分数左右。
在极低温下，液氦具有量子性质，即粘度很小，仅为10-12Pa•s左右，具有极好的超流动性, 流动几乎没有阻力。
同时，导热系数非常大，比铜大104倍，因此在超流液氦中不可能形成温度梯度。
氦由二种稳定同位素3He和4He组成。
正常的氦气里仅含1.3×10-6的3He，因此，除非特别说明，一般均指4He。
4He在2.172K以下，具有超流动性，而3He的超流动性要将温度降到0.003K时才显示出来。
在极低温下，液体3He和4He混合时具有吸热效应，这些特性被用于稀释制冷机中。
Heinz London, German (1907-1970)低温下3He和4He的液氦混合物相图显示，3He和4He的混合物可以是正常液体、超液体、正常液体和超流体的两相混合物，取决于混合物的浓度和温度。
稀释冷却只可能发生在低于三相点温度的地方。
低温下3He/4He液相混合物相图在低于三相点（0.87K）的温度下，3He/4He液相混合物将由相界面分成两个不同浓度的液相。
一个相主要含有3He，因此被称为3He的浓缩相，对应于从图的右下角至三相点的相平衡线。
一个相主要含有3He，因此被称为4He的浓缩相，对应于从图的左下角至三相点的相平衡线。
不论什么温度下，总是至少含有6％的3He。
油和水的混合物在一起是一个很好的例子，可以说明这种状态。
如果维持油水混合物在一个较高的温度，油和水将保持均匀混合。
但是，如果降低温度，油会与水分开且浮在上面，仔细分析后发现油中有少量水存在，反之，水中有少量油存在，即这是含有两个不同油水混合物浓度的两相混合物。
含有两个不同油/水混合物浓度的两相混合物如同液体蒸发相变制冷，需要额外的能源把3He原子从3He的浓缩相运输到3He 稀缺相（4He 的浓缩相）。
世界上最冷的冷知识
世界上最冷的冷知识在我们周围，有许多冷知识令人惊叹，其中最引人注目的是世界上最冷的事物。
今天，我将为大家介绍一些关于最冷的冷知识，让我们一起领略这些令人难以置信的寒冷现象。
1. 绝对零度：绝对零度是温度的下限，也是已知宇宙中最低的温度点。
在绝对零度下，分子运动停止，物体达到最低的能量状态。
绝对零度的温度是-273.15摄氏度或-459.67华氏度。
科学家们至今无法制造出绝对零度，但已成功将物体冷却到极接近绝对零度的温度。
2. 液氦：液氦是一种在极低温下变为液体的物质。
当氦气被冷却至-268.93摄氏度时，它会转化为液态。
液氦具有许多奇特的特性，如无粘性和无摩擦。
由于其极低的温度，液氦广泛应用于超导磁体、核磁共振成像等领域。
3. 卡尔文温标：卡尔文温标是国际单位制中温度的基本单位，以绝对零度为零点。
与摄氏度和华氏度相比，卡尔文温标更适合用于科学研究和工程领域。
在卡尔文温标下，水的沸点为373.15K，冰点为273.15K。
4. 超冷原子：超冷原子是一种经过冷却到接近绝对零度的原子。
在这种极低温下，原子的行为变得非常奇特，它们可以形成玻色-爱因斯坦凝聚态和费米-狄拉克凝聚态。
超冷原子的研究对于理解量子力学和凝聚态物理学有重要意义。
5. 地球上最冷的地方：位于俄罗斯的奥伊米亚康斯克（Oymyakon）被认为是地球上最冷的有人居住的地方。
这个小镇的气温常年低于零下50摄氏度，在寒冷的冬天甚至可能达到零下70摄氏度。
生活在这里的居民需要采取特殊的措施来应对严寒。
6. 宇宙背景辐射：宇宙背景辐射是宇宙中存在的微弱热辐射，它是宇宙大爆炸后残余的热能。
宇宙背景辐射的温度约为2.7K，非常接近绝对零度。
这个温度是通过对宇宙微波背景辐射的观测得出的，对于研究宇宙起源和演化具有重要意义。
7. 液态氢：液态氢是一种在极低温下变为液体的氢气。
液态氢的沸点为-252.87摄氏度，是已知最低的沸点之一。
液态氢广泛应用于火箭推进剂和超导磁体等领域。
磁共振液氦冷却原理
磁共振液氦冷却原理全文共四篇示例，供读者参考第一篇示例：磁共振成像技术是一种用于医学影像诊断的重要工具，它通过利用磁场和无害的无线电波来生成人体内部的高分辨率影像。
而磁共振成像技术中的核磁共振仪器需要使用液氦进行冷却以维持其运行温度，液氦冷却技术成为了磁共振成像技术中不可或缺的部分。
本文将介绍磁共振液氦冷却的原理及其在核磁共振仪器中的应用。
我们来了解一下液氦的特性。
液氦是一种无色、无臭、无味的惰性气体，在常温下是气态，但在绝对零度下（-269摄氏度）则可以转变为液态。
液氦具有很强的冷却能力，是目前常用的制冷剂之一。
在磁共振成像技术中，液氦用于冷却超导磁体，以确保超导磁体的稳定性和高性能运行。
磁共振成像技术中的核磁共振仪器通常由超导磁体、梯度线圈和射频线圈等部件组成。
超导磁体是核磁共振仪器的核心部件，它是由超导线圈组成的，当通电时可以产生非常强大的恒定磁场，用于激发人体组织中的核磁共振信号。
为了维持超导磁体的超导状态，需要将其冷却至液氦的温度。
通过将液氦注入超导磁体中，液氦的冷却效果可以有效地维持超导磁体的超导性能。
液氦冷却原理主要包括以下几个步骤：液氦通过外部制冷系统被制冷成液态，然后将液氦输送到超导磁体中。
在超导磁体内部，液氦的低温能够有效地降低超导线圈的电阻，使得超导磁体能够在零电阻状态下运行，从而产生稳定的磁场。
液氦的冷却效果还可以减少超导磁体在运行时因电流带来的热量，确保超导磁体不会过热。
除了冷却超导磁体，液氦在核磁共振仪器中还起到其他重要作用。
液氦可以用于冷却射频线圈和梯度线圈，以确保它们在长时间运行过程中保持稳定性和高性能。
液氦还可以用于冷却样品台和其它磁共振成像系统中的部件，保证整个系统的正常运行和影像质量。
磁共振液氦冷却技术是磁共振成像技术中不可或缺的部分，它为超导磁体和其他核磁共振仪器部件提供了稳定、持久的低温环境，保证了磁共振成像技术的高性能和高质量影像输出。
随着磁共振成像技术的不断发展和应用，磁共振液氦冷却技术也将不断完善和提高，为医学影像诊断领域带来更多的突破和进展。
氦制冷原理
氦制冷原理氦是一种常见的制冷剂，它在低温物理实验和工业制冷领域有着广泛的应用。
氦制冷原理是指利用氦气的特性来实现低温制冷的过程。
在这个过程中，氦气通过压缩、膨胀、吸热和放热等过程，将热量从被制冷物体中带走，从而使被制冷物体的温度降低。
下面将详细介绍氦制冷原理的相关知识。
首先，氦气具有良好的导热性能，这使得它在制冷过程中能够快速地吸收被制冷物体的热量。
其次，氦气在常温下是一种无色、无味、无毒的惰性气体，这使得它在制冷过程中不会对被制冷物体造成污染或损害。
此外，氦气的沸点非常低，仅为4.2K，在常压下，这使得它非常适合用于制冷超导体和其他需要极低温度的实验。
氦制冷原理的关键在于氦气的压缩和膨胀过程。
在制冷装置中，氦气首先被压缩成高压氦气，然后通过冷凝器散发热量，使氦气冷却成液态氦。
接着，液态氦通过膨胀阀膨胀成低压氦气，这个过程中液态氦吸收了大量的热量，使得被制冷物体的温度得以降低。
最后，低压氦气再次通过蒸发器吸收热量，变成高压氦气，完成一个制冷循环。
除了压缩和膨胀过程，氦制冷原理还涉及到氦气的传热过程。
在制冷装置中，冷凝器和蒸发器起着至关重要的作用。
冷凝器通过散发热量使氦气冷却成液态氦，而蒸发器则通过吸收热量使液态氦蒸发成气态氦。
这些过程需要精确的控制和设计，以确保制冷装置的稳定运行。
总的来说，氦制冷原理是利用氦气的特性，通过压缩、膨胀和传热过程，将热量从被制冷物体中带走，从而实现制冷的目的。
氦气的导热性能、低沸点和无毒无害的特性，使得它在低温制冷领域有着独特的优势和广泛的应用前景。
随着科学技术的不断发展，相信氦制冷技术将会得到进一步的改进和应用，为人类的科学研究和工业生产带来更多的便利和可能。
低温制冷机 氦
低温制冷机氦低温制冷机是一种利用低温物质进行制冷的装置，而氦则是低温制冷机中常用的制冷介质之一。
本文将从氦的特性、低温制冷机的工作原理以及氦在低温制冷中的应用等方面进行探讨。
我们先来了解一下氦的特性。
氦是一种无色、无味、无毒的惰性气体，具有很低的沸点和凝固点，在常温下为气态。
它是宇宙中最丰富的元素之一，广泛存在于星际空间和地球大气中。
由于氦的低沸点和凝固点，使得它成为低温制冷的理想选择。
低温制冷机利用氦的特性进行制冷。
其工作原理主要基于热力学循环，通过氦气的膨胀和压缩来实现温度的降低。
低温制冷机通常由压缩机、膨胀阀、蒸发器和冷凝器等组成。
首先，氦气被压缩机压缩成高压气体，然后通过膨胀阀放松压力，使氦气膨胀成低温低压气体。
在蒸发器中，氦气吸收外界的热量并蒸发，将周围的物体冷却。
随后，氦气被冷凝器冷却并压缩回高压气体，循环再次开始。
氦在低温制冷中有着广泛的应用。
首先，氦被广泛应用于科学研究领域。
在低温物理实验中，需要将物体冷却到极低温以观察其特性，而氦制冷机则提供了可靠的制冷手段。
其次，氦还被应用于超导材料的制备和研究中。
超导材料在极低温下表现出良好的电导性能，而氦制冷机则能够提供足够低的温度来实现超导材料的制备和研究。
此外，氦还被应用于医学影像设备中，例如核磁共振成像仪，其需要低温来保持超导磁体的性能。
低温制冷机使用氦作为制冷介质，能够提供稳定可靠的低温环境，确保医学影像设备的正常工作。
除了氦，低温制冷机还可以使用其他制冷介质，如液氮和液氢。
液氮和液氢具有更低的沸点和凝固点，因此在更低温范围内能够提供更低的温度。
然而，液氮和液氢的制冷能力相对较强，使用起来也更加复杂和昂贵。
相比之下，氦作为一种常见的制冷介质，具有较高的制冷效果和较低的成本，因此在低温制冷中得到广泛应用。
低温制冷机利用氦作为制冷介质，通过氦气的膨胀和压缩实现温度的降低。
氦具有无毒、无味、无色的特性，是一种理想的低温制冷介质。
低温制冷机在科学研究、超导材料制备和医学影像设备等领域有着广泛的应用。
高温气冷堆燃料核心
高温气冷堆燃料核心高温气冷堆燃料核心是一种新型的核能技术，它具有很多优势和特点。
本文将分析高温气冷堆燃料核心的特点和应用，并探讨其在未来能源领域的发展前景。
高温气冷堆燃料核心采用气冷方式，即利用氦气作为冷却剂来带走堆芯中的热量。
相较于传统的水冷堆，这种核心具有很多优势。
首先，气冷堆不需要水资源，可以在干旱地区或水资源稀缺的地方使用，增加了核能的可用性和适用性。
其次，气冷堆的冷却剂是惰性气体氦，不产生放射性污染，对环境的影响较小。
而且，气冷堆的冷却剂循环过程中不涉及水和蒸汽，减少了事故发生的可能性，提高了核能的安全性。
此外，气冷堆还具备高温特点，使它成为一种理想的热源，可广泛用于石油、化工、冶金等工业领域。
总体而言，高温气冷堆燃料核心具有高效、安全、环保等多个优点。
高温气冷堆燃料核心的应用也相当广泛。
首先，它可用于电力生产。
高温气冷堆的工作温度可超过1000摄氏度，相较于传统的轻水反应堆，允许更高的热效率，提高了核电站的电力输出。
同时，高温气冷堆可以与其他热能源（如太阳能、风能等）相结合，形成多能联供系统，提高能源的综合利用效率。
其次，高温气冷堆还可以用于燃料生产。
它可以产生高温的过程热，使得煤炭、天然气等化石燃料便于进行催化裂化过程，提高燃料的产率和质量。
同时，高温气冷堆的中子辐照特性，使得它可以用于核燃料再加工、核废料处理等领域。
高温气冷堆燃料核心还有很多技术和工程上的挑战。
首先，高温气冷堆需要能够承受高温、高压及辐射的结构材料，如石墨、陶瓷等。
这些材料的研发和应用需要更多的基础科学研究和工程技术支持。
其次，高温气冷堆的自动化控制和安全性监控是关键和难点。
传统的控制方法在高温气冷堆上无法直接适用，需要开发新的控制策略和系统，确保核能的安全和可靠性。
此外，高温气冷堆的投资和运营成本也是一个重要的问题，需要寻求资金和政策的支持。
尽管存在一些技术和经济上的挑战，高温气冷堆燃料核心在未来能源领域仍然具有广阔的发展前景。
超流氦制冷系统2K冷却级热力分析
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（ ａｂｎｉｓｔｔ ｏ ｔ ｈ ｏ ｇ ， ｎｔ ｔ ｏ Ｃｙｇｎｃ ａｄＳｐ ｒ ｎ ｕｔｉ ｅｈ ｏ ｇ ， ａｂｎ１￣０ ，ｈｎ ） Ｈ ｒｉ ｔｕｅ ｆ ｅ ｎｌ ｙ Ｉ ｉ ｅｆ ｒｏｅｉ ｎ ｕ ｅ ｏｄ ｃ ｖ ｙ ｃ ｌ ｎ ｉ ｃ ｏ ｓ ｔ ｕ ｓ ｃ ｉ ｔ Ｔ ｎ ｏ Ｈ ｉ ５ １ Ｃ ｉａ ｙ ｒ
ｏ ｅ ｎ ｏ ｄｔ ｎ ，ｔ ｅ ｐ ｐ ｒ ｓ ｇ ｅ ｔ ｔ ｅ ｄ ｓｇ ｅ ｔｅ ｃ ａ ｇ ｒｍａ ｅ ｄ ｖ ｌ ｐ ｄ ａ ｍｉ ｄ ｔｍｐ ｒｔ ｒ ｉ ｅ ｎ ｅ ａ ｅ ｃ ｌ ｎ ． ｐ ｎ ｇ ｃ ｎ ｉ ｏ ｓ ｈ ａ ｅ ｕ ｇ ｓ ｅ ｉ ｎ ｏ ｈ ａ ｘ ｈ ｅ ｙ ｂ ｅ ｅｏ ｅ ｌ ｔ ｅ ｅ ａｕ ｅ ｄ ｆ ｒ ｃ ｔ ｏｄ ｅ ｄ ｉ ｉ ｓｈ ｆ ｎ ｔｉ ｅ ｅ ｔｈ
提高制冷系统效率 。影响制冷系统效率的主要 因素有节流阀前 的压力 和温度、 — Ｊ Ｔ换热器 的效率等 ， 本文采用
室温真空泵组和节流相结合以及预冷的方法来获取超流氦 ， 利用 Ｈ Ｐ Ｋ氦物性软件分析 了 ２Ｋ冷却级 中 Ｊ Ｔ ＥＡ — 换热器的热力参数对制冷机冷量的影响， 获得了纯制冷模式下 ２Ｋ冷却级的优化参数。
维普资讯
低 温与超导 第３ 卷 第 ４ ４ 期
中国散裂中子源低温系统氦制冷系统的安装与调试
中国散裂中子源低温系统氦制冷系统的安装与调试何崇超;叶斌;丁美莹;王雅琼;李娜;张玙;龚领会;何昆【摘要】Helium refrigerator system is a significant component of cryogenic system in China spallation neutron source(CSNS),which is able to provide 2 200 W@18 K cold source for hydrogen circulationsystem.Firstly,the composition and device layout of CSNS helium refrigeration system are introduced.Then,commissioning principle and control interface of helium refrigerator system are introduced,and the installation and commissioning preparatory works are introduced detailedly.At last,the commissioning process are introduced in detail,and state parameters under three kinds of refrigeration power of 700 W / 1 400 W / 2200 W are obtained.The commissioning of the helium refrigerator system is finished smoothly and the results meet the acceptance indicator.%氦制冷系统是中国散裂中子源(CSNS)低温系统的重要组成部分,能够为氢循环系统提供2 200 W@20 K的冷源.介绍了CSNS氦制冷系统的组成及设备布局图及氦制冷系统的调试原理,完成了控制界面图及氦制冷系统的安装和调试准备工作,详细说明了调试的过程,获得了700 W/1 400 W/2 200 W 3种制冷功率下的状态参数.氦制冷系统调试顺利完成,结果满足了验收指标.【期刊名称】《低温工程》【年(卷),期】2017(000)005【总页数】6页(P54-59)【关键词】氦制冷机;氢循环;氦冷箱;调试【作者】何崇超;叶斌;丁美莹;王雅琼;李娜;张玙;龚领会;何昆【作者单位】中国科学院高能物理研究所东莞分部东莞 523803;东莞中子科学中心东莞 523808;中国科学院高能物理研究所东莞分部东莞 523803;东莞中子科学中心东莞 523808;中国科学院高能物理研究所东莞分部东莞 523803;东莞中子科学中心东莞 523808;中国科学院高能物理研究所东莞分部东莞 523803;东莞中子科学中心东莞 523808;中国科学院高能物理研究所东莞分部东莞 523803;东莞中子科学中心东莞 523808;中国科学院高能物理研究所东莞分部东莞 523803;东莞中子科学中心东莞 523808;中国科学院低温工程学重点实验室(理化技术研究所)北京 100190;中国科学院高能物理研究所东莞分部东莞 523803【正文语种】中文【中图分类】TB664;TB65120世纪70年代初，随着低温技术的不断成熟和发展，以低温超导技术、聚变核能技术等前沿科技为基础的大科学装置也得到了积极的推动和建设，大型低温系统的建设也随之而来。
氦稀释制冷机
稀释制冷机是1962年首先由Heinz London提出的，它的制冷过程中使用了氦的二种稳定同位素3He和4He的混合物作为制冷剂。
这个过程要依赖3He和4He特殊的热力学特征。
氦是所有气体中沸点最低的，是最难液化的气体。
氦在大气中含量极低，只有5×10-6体积分数左右。
在极低温下，液氦具有量子性质，即粘度很小，仅为10-12Pa•s左右，具有极好的超流动性, 流动几乎没有阻力。
同时，导热系数非常大，比铜大104倍，因此在超流液氦中不可能形成温度梯度。
氦由二种稳定同位素3He和4He组成。
正常的氦气里仅含1.3×10-6的3He，因此，除非特别说明，一般均指4He。
4He在2.172K以下，具有超流动性，而3He的超流动性要将温度降到0.003K时才显示出来。
在极低温下，液体3He和4He混合时具有吸热效应，这些特性被用于稀释制冷机中。
Heinz London, German (1907-1970)低温下3He和4He的液氦混合物相图显示，3He和4He的混合物可以是正常液体、超液体、正常液体和超流体的两相混合物，取决于混合物的浓度和温度。
稀释冷却只可能发生在低于三相点温度的地方。
低温下3He/4He液相混合物相图在低于三相点（0.87K）的温度下，3He/4He液相混合物将由相界面分成两个不同浓度的液相。
一个相主要含有3He，因此被称为3He的浓缩相，对应于从图的右下角至三相点的相平衡线。
一个相主要含有3He，因此被称为4He的浓缩相，对应于从图的左下角至三相点的相平衡线。
不论什么温度下，总是至少含有6％的3He。
油和水的混合物在一起是一个很好的例子，可以说明这种状态。
如果维持油水混合物在一个较高的温度，油和水将保持均匀混合。
但是，如果降低温度，油会与水分开且浮在上面，仔细分析后发现油中有少量水存在，反之，水中有少量油存在，即这是含有两个不同油水混合物浓度的两相混合物。
连续氦稀释制冷原理含有两个不同油/水混合物浓度的两相混合物如同液体蒸发相变制冷，需要额外的能源把3He原子从3He的浓缩相运输到3He 稀缺相（4He的浓缩相）。
液氦制造低温环境的原理
液氦制造低温环境的原理用液氦来制造低温环境是物态变化的物理性质。
液氦在汽化的过程中需要吸收大量的热量导致周围的环境温度迅速降低，这个过程没有改变氮的化学性质，只是发生了物态的变化---氮从液态变成气态。
所以是物理现象。
因为氨是空气中的主要成分，不活泼，不支持燃烧。
液氦是由氦气在低温下形成的液体形式。
在工业上，液氦是通过空气分馏获得的。
首先，空气经过净化，然后在加压和冷却的环境中液化，并通过空气中每种成分的不同沸点进行分离。
known液氦从化学性质来看，它是一种惰性、无色、无嗅、无腐蚀性、不可燃、极低温的物质。
今天我们要从液氦的目的出发，来了解它在生活中的作用。
液氦具有化学惰性，可与生物组织直接接触，并可在不破坏生物活性的情况下立即冷冻，因此在许多领域得到广泛应用。
比如进行低温物理的研究；展示科学教育中的低温状态；提供高温超导体显示超导性所需的温度；可作为氮肥工业生产的原料。
它可以用作制冷剂，快速冷冻生物组织，防止它们被破坏。
但最出名的应该是它对“吃”的巧妙运用。
液氦可以快速冷冻食物或制作冰制品。
例如，从中国进口的马来西亚榴莲在储运前，采摘的榴莲会经过液氦速冷(-80℃至-110℃不少于1小时)处理，然后在-18℃或更低的温度下储运。
这样榴莲的保质期更长。
而且，液氦在生物学和医学上都有一席之地。
外科手术中，快速冷冻可以帮助止血，去除皮肤需要切除的浅表部位；它可以保存活体组织，用于储存生物样本和精子及卵子。
同时，液氦也可以治疗一些皮肤病。
其原理是通过极寒迅速杀死病房内的细胞，使病房恢复正常。
一般用于治疗疖子、鸡眼、皮肤病。
虽然液氦有很多用途，但在某些情况下也会对人体造成伤害。
如果皮肤接触液氦会导致冻伤；常压下汽化产生的过量氦气会降低空气中的含氧量，在极端情况下可能导致缺氧和窒息。
所以在日常生活中接触液氦的时候，要小心防冻。
所谓液氦冷却就是利用液氦进行低温(超低温)切削加工，即利用液氦使工件、刀具或切削区处于低温冷却状态进行切削加工的方法。
我国科研团队实现无液氦极低温制冷
我国科研团队实现无液氦极低温制冷
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来源：《共产党员·上半月》2024年第04期
中國科学院大学苏刚教授与合作者通过多年研究，在近期实现了无液氦情况下极低温制冷基础研究的重要突破，这为破解我国氦资源短缺的问题提供了解决方案。
极低温制冷技术在深空探测、材料科学、量子计算、大科学装置建设等领域被广泛应用。
长期以来，极低温制冷主要利用液氦来实现，但自然界中氦元素较为稀缺，如何不用氦元素实现极低温制冷，成为科学界的一个重要课题。
此项研究中，团队在钴基三角晶格量子磁性材料中，证实了阻挫量子磁体中超固态的存在。
随后，他们利用该晶体材料，通过绝热去磁获得了94毫开（零下273.056摄氏度）的极低温，成功实现无液氦极低温制冷。
这一成果有望为解决深空探测、量子科技、物质科学等领域的极低温制冷难题提供一种新的方案。
（来源：新华网）。
关于一种氦制冷机的制冷量模拟负载装置的机械结构技术参数探讨
关于一种氦制冷机的制冷量模拟负载装置的机械结构技术参数探讨摘要：本文主要研究模拟负载装置的研制，加热器按照加热方式大约分为电磁加热、红外线加热、电阻加热这三种，热力设计包括传热计算、流体阻力计算。
热力设计与结构形式及结构参数有关。
先从工艺和制造角度考虑给定一部分结构参数，再进行传热计算。
通过传热计算从热交换角度来衡量已定结构参数是否合理。
关键词：低温系；模拟负载；传热面积计算绪论：一、中国散裂中子源发展背景中国散裂中子源（CSNS）是国家“十一五”期间重点建设的大科学装置，是国家的战略性项目，对国家的经济领域、科学技术领域、医学领域、军事领域等各个领域具有重大的作用，其中，氦制冷机是中国散裂中子源的低温系统制冷装置，为了能够准确的知道氦制冷机的制冷量，本文是负责设计一个模拟负载装置来确定氦制冷机的制冷量，如图1.1所示。
图1.1低温系统的工作原理图1.1主要研究内容氦制冷机将由制冷机厂商提供，为了能够精确验收氦制冷机的制冷量，确保氦制冷机能够提供足够的设计制冷量保证低温系统的正常运行。
因此需要设计一个模拟负载来准确测试氦制冷机的制冷量。
模拟负载可以在常温温区（300K）以及液氮温区（80K）提供最大为3000W的加热量。
所以本文的目的是该装置的设计研发方案。
二、模拟负载装置的机械结构简介2.1模拟负载装置结构的选择目前应用广泛的加热器按照加热方式大约分为3种：1、电磁加热：电磁加热是通过电子线路板组成部分产生交变磁场、当用含铁质容器放置上面时，容器表面具即切割交变磁力线而在容器底部金属部分产生交变的电流（即涡流），涡流使容器底部的铁原子高速无规则运动，原子互相碰撞、摩擦而产生热能。
从而起到加热物品的效果。
2、红外线加热——红外线的传热形式是辐射传热，由电磁波传递能量。
在远红外线照射到被加热的物体时，一部分射线被反射回来，一部分被穿透过去。
当发射的远红外线波长和被加热物体的吸收波长一致时，被加热的物体吸收远红外线，这时，物体内部分子和原子发生“共振”——产生强烈的振动、旋转，而振动和旋转使物体温度升高，达到了加热的目的。