hdy 发表于 2025-5-20 21:53

低温系统 - /稀释制冷功率/热交换器/蒸馏


3-He,4-He的循环动图 来源bluefors   有两个关键的氦三状态节点

[*]4k层进入到热交换器阶段:确保氦三的液体状态,且进入mixing chamber可分层
[*]从mixing chamber分层后氦三蒸馏并抽出到系统中重新循环:此时部分氦三变成气态、

阶段1:经过外部的pulse tube预制冷后,温度降到了4k但离我们需要做到氦三氦四分层的阶段还有一段距离,这里有一部分核心器件叫热交换器,算是被卡脖子的工程,主要是因为绝对低温的情况下热阻很大,无法将热量带走温度降不下去,导致常规换热器在极低温下无法使用,于是需要特殊的工艺(烧结金属颗粒)来提升金属和液氦的接触面积,并且银导热属性最好,于是热交换器就通常为下图这个银质的类似弹簧的形态。
讨论mixingchamber 流速ṅ=0.6mmol/s,温度Tm=20mK时,进入到mixing chamber层的氦三如果他的此时温度Ti>57mK,制冷功率是负的,无法制冷。因此,热交换器用于氦三进入前的预制冷到足够低温十分关键。https://bluefors.com/stories/control-software-generation-2-cool-power-at-your-fingertips/阶段2: 另一个会觉得有一个比较反直觉的设计:加热结构(Heater),因为稀释制冷不是大力出奇迹暴力降温就能达到我们所需的温度,过度的制冷不仅浪费功率同时也可能像结冰一样,局部达到最冷而无法带动整个系统进行降温。于是我们需要加热,推动整个循环有效进行氦3摩尔焓/温度/压强关系图(Basic Operation of Cryocoolers and Related Thermal Machines)综合计算整体的制冷功率,先统计两个状态(进入和出去)的摩尔焓:
1. 从4K冷盘流入的氦三,气压约为0.5bar,温度约为4.2K,对应上图中约99J/mol2. 流出的氦三温度约为0.7K,气压约10^-5bar ,对应图中35J/mol根据能量守恒,系统整体需要-64ṅ 瓦的制冷功率才能维持氦三的循环由于文章采用的是早期的湿式制冷,后续内容参考即可:主要证明一个制冷系统中必须要有加热结构,细化内部制冷湿式制冷中的1K pot,现在用冷头+plusetube达到类似效果经过1K pot后氦三处于1.2K,0.5bar,对应6J/mol,上述我们计算了流出的摩尔焓为35J/mol,35-6 > 0 于是说明后续需要一个的热源




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