低温系统 - /稀释制冷功率/热交换器/蒸馏

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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/mol

2. 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