脈管制冷機是回?zé)崾降蜏刂评錂C中的一個分支。由于不含運動部件，脈管制冷機具有低振動、低電磁噪聲、高可靠性、長壽命等突出優(yōu)點，非常適合中國當(dāng)前的工業(yè)環(huán)境。課題組由此入手，所研發(fā)的單級脈管制冷機創(chuàng)造并保持了同類制冷機最低制冷溫度記錄——10.6K。
“K”是低溫研究領(lǐng)域的標(biāo)識符號——熱力學(xué)溫標(biāo)，而0K，等于-273.15℃，在這樣的溫度下，構(gòu)成物質(zhì)的所有分子和原子均停止運動，因此這一溫度又被稱為絕對零度。120K等于-153℃，以上為普冷，120K以下的被稱為低溫。當(dāng)溫度低于77K也就是-196℃時，空氣中的氮氣將變成液體，研究者稱這個溫度范圍為“深低溫”。在這樣的低溫下，由于量子效應(yīng)，一些物質(zhì)會擁有罕見的特性，如超導(dǎo)電性、超流性等；不同沸點的物質(zhì)可以被分離，比如空氣中的氧氣和氮氣；由電子熱運動引起的熱噪聲在低溫下會得到抑制……低溫制冷技術(shù)所創(chuàng)造的深低溫環(huán)境是現(xiàn)代高科技發(fā)展和應(yīng)用的基本支撐條件之一，應(yīng)用于核磁共振、紅外制導(dǎo)、超導(dǎo)磁懸浮和深空探測等航天、醫(yī)療等眾多領(lǐng)域。
由于我國在低溫制冷領(lǐng)域的發(fā)展歷史相對較短，整體工業(yè)水平落后，高效可靠的低溫制冷技術(shù)長期以來都被發(fā)達國家壟斷。而即使是在國際上，作為不可或缺的重要低溫設(shè)備，回?zé)崾降蜏刂评錂C也面臨著制冷效率低、結(jié)構(gòu)復(fù)雜、可靠性差等技術(shù)缺陷。
從1990年起，浙江大學(xué)能源工程學(xué)系教授陳國邦和他的團隊就開始致力于深低溫回?zé)嶂评潢P(guān)鍵技術(shù)的研究。
“回?zé)崾降蜏刂评錂C為什么會有這么多的毛病？我們分析認(rèn)為，一個根本原因就是當(dāng)時的低溫工作者沒有透徹了解和掌握深低溫回?zé)嶂评浼夹g(shù)與傳統(tǒng)技術(shù)的原則不同。” 項目主要完成人之一邱利民教授說。結(jié)合國家重大戰(zhàn)略需求和低溫學(xué)科發(fā)展需要，在國家項目的連續(xù)支持下，陳國邦課題組從突破回?zé)岬蜏刂评淅碚摮霭l(fā)，開展了深低溫回?zé)嶂评浼夹g(shù)的創(chuàng)新，將研發(fā)的低溫制冷機推向國家急需的重點領(lǐng)域應(yīng)用，取得了一系列技術(shù)發(fā)明成果。
人工制冷的溫度極限到底是多少？這是低溫制冷機研究中最基本的科學(xué)問題。然而，受到當(dāng)時認(rèn)識水平的限制，這個答案一直沒有得到明確。1992年，陳國邦課題組首次證明了回?zé)崾降蜏刂评錂C的理論制冷溫度可接近工質(zhì)氦的λ線，即等熵膨脹系數(shù)為零的溫度線，預(yù)測出采用氦-4 制冷可達到2.2K 附近，而采用氦-3 可望獲得大約1K 的低溫。比荷蘭學(xué)者用其它方法獲得的相似結(jié)論整整早了7 年。
在此之前，氦-3的寬范圍狀態(tài)方程一直是個謎。課題組突破傳統(tǒng)觀念，將適用于晶體的“德拜比熱容理論模型”拓展到低溫量子流體，建立了寬范圍、高精度的氦-3 狀態(tài)方程，填補了該領(lǐng)域的空缺。
在此基礎(chǔ)上，為了滿足工程技術(shù)需要，課題組繪制了完整的氦-3 溫-熵圖、壓-焓圖，開發(fā)出熱物性計算軟件He3Pak，通過美國低溫?zé)嵛镄詸?quán)威公司Cryodata 的認(rèn)證，向全球發(fā)行，為2K以下低溫制冷機設(shè)計奠定了基礎(chǔ)。
解決了理論問題，課題組把研究目標(biāo)瞄準(zhǔn)了低溫制冷機的研制上。課題組發(fā)明了雙小孔脈管調(diào)相技術(shù)，將附加熱流通過“雙小孔”引出并加以控制，成功打破了“雙向進氣”結(jié)構(gòu)的瓶頸。利用該技術(shù)，課題組率先使用兩級脈管制冷機獲得了3.0K的低溫，達到了日本用三級才能實現(xiàn)的水平，簡化了制冷機結(jié)構(gòu)。此外，課題組還發(fā)明了雙閥雙向進氣結(jié)構(gòu)，以減少寄生熱流的損失，由此得到的單級脈管制冷機創(chuàng)造并保持了單級脈管制冷機最低制冷溫度記錄——10.6K。
“結(jié)構(gòu)緊湊的制冷機有很多好處，因為它們可以用在戰(zhàn)斗機、坦克車、航天器等對體積和重量要求非常高的地方。這點在地面上看起來也許不那么重要，但是上了天以后，多一點點重量都會帶來很多問題。”邱利民說。
同時，課題組設(shè)計了更進一步的低溫目標(biāo)。溫度越低，難度越大，效率也會越低。要想達到足夠的深低溫，必須采用多級結(jié)構(gòu)的制冷機。邱利民比喻說：“如果你獲得了足夠的制冷量，還得把它帶走才行。好比你跑到一個大金礦里去挖黃金，如果你的身板不行，即便里面有10噸黃金，你也只能帶走10斤。”
傳統(tǒng)的制冷機兩級之間采用“氣耦合”的方式傳遞制冷量，氣體共同占用一個換熱通道，其缺點是氣體間的干擾較大，制冷效率較低。對此，課題組提出了一種“熱耦合”的新結(jié)構(gòu)，將兩級之間用熱傳導(dǎo)的方式進行連接，解決了級間氣量分配的難題。在制冷過程中，隨著溫度的降低，回?zé)崞鞯牟牧闲阅芤搽S之惡化，那么怎樣提高換熱器在低溫下的性能？通過在不同溫區(qū)使用不同的高性能材料，課題組提出了復(fù)合填料回?zé)崞鲀?yōu)化方法，成功解決了低溫下的回?zé)崞餍蕟栴}。
基于上述實用化技術(shù)，課題組研制的兩級分離型脈管制冷機獲得了同類制冷機的國際最好結(jié)果，單級斯特林制冷機的制冷性能達到國外對我國封鎖的同類制冷機相同水平。
國際低溫權(quán)威、美國國家標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)研究院低溫技術(shù)負(fù)責(zé)人Radebaugh 博士這樣評價道：“中國研究者特別擅長于推進脈管制冷機的低溫極限。”
該項目的研究所取得的成果在深低溫制冷機領(lǐng)域形成了我國的技術(shù)體系，有力地支撐了國內(nèi)低溫制冷機研究；在低溫領(lǐng)域國際權(quán)威期刊CRYOGENICS 最近五年引用率最高的TOP 10 論文中，項目發(fā)表的論文位列第六，也是中國唯一的論文。
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（文 吳雅蘭/攝影 盧紹慶）
