回热式低温制冷机技术

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1、回热式低温制冷机巨永林ColumbiaUniversity，NevisLaboratoriesDepartmentofPhysics,NewYork上海交通大学，制冷与低温工程研究所机械与动力工程学院，上海主要内容¾低温研究背景和意义¾回热式制冷循环¾回热式低温制冷机¾脉管制冷机¾热声驱动制冷机¾应用，问题和发展趋势¾结束语第一部分:低温研究背景和意义科学研究?兴趣需要低温低温制冷技术低温制冷机低温低温:一般是指温度低于120K（-1530C）°自然界物质在低温下呈现出在常温下所不具有的特殊物理性质：如超导电性,超流动性,磁有序态,量子霍尔效应等°由此产生

2、了一些新的应用，如超导MRI，SQUID，低温冷凝真空泵，强磁体等°许多科学仪器在低温下有更好的性能和效率，更高的运行速度和灵敏度：如光电遥感元件，低温光电子器件，高低温超导器件，半导体与超导体混合集成电路低温研究背景和意义LNGAcceleratorsAirliquefaction&FusionLiquidTransmissionH2linesVacuum1TJLarge-HOcryotraps2sizeTransformersFCL1GJMid-sizeGeneratorsSMES,Mag.Sep.,SMESMRIMotorsCryopumpsFCLM

3、aglevBearingsCryosurgeryMRI1MJWirelessMicro-SMESO&CH2HZBOIRZBO2LTSNbNelectronicsElect.IRIRHTSSQUIDsTEMPERATURE(K)低温制冷技术研究低温的科学和技术原理°方法：相变制冷，气体压缩膨胀制冷，蒸气压缩膨胀制冷，气体涡流制冷，节流制冷，吸收式制冷，固体吸附制冷，辐射制冷，热电制冷，磁制冷，激光制冷等°实验室用低温一般使用低温恒温器，将被却物浸泡在低温液体中或用低温蒸气冷却。但是随着商业和空间应用的发展，这种方式在经济性、连续性、可靠性、方便性等方面不能满

4、足要求低温制冷机获得和维持低温的机械°由于简单、方便灵活得到了重视和迅速发展。它省去了低温液体储运、充注等麻烦，已在很多方面获得应用°机械式制冷，混合工质节流制冷，热声制冷机，吸附制冷，辐射制冷，半导体制冷，磁制冷，激光制冷等低温制冷机应用研究背景°国防和军事(红外制导，预警，军事夜视装置，红外探测器，γ-射线探测仪等)°空间技术(卫星遥感遥测，红外探测仪等)°资源环境(大气，地质，矿物资源探测，环境检测)°商业(低温泵，LNG，磁悬浮，半导体器件，低温光电子器件，高低温超导器件，超导计算机等)°医学(液氧，超导MRI，SQUID磁强计，农业和生物组织低温

5、保存，器官移植，低温外科等)°科研(液氮，液氦杜瓦，低温恒温器，高低温超导科学仪器，大科学工程中的低温制冷系统等)低温制冷机应用研究背景（续）°空间遥感遥测，高低温超导器件迅速发展的推动°空间用小型制冷机起源于60年代美国的太空探测计划，由于空间飞行器的特殊性，制冷机必须在可靠性和寿命、效率和能耗、体积和重量、振动等方面满足严格的飞行器有效载荷的限制°适合空间技术用的制冷机只有少数几种，按研发、应用的时间顺序，主要有：被动式辐射制冷机、开式及闭式J-T制冷机、Stirling制冷机、逆Brayton循环制冷机，脉管制冷机610LNGAirliquefact

6、ionAccelerators10&FusionTransmissionMixed-gasJT(Commercial)linesStirling101TJTurbo-Brayton/ClaudeLarge-HOcryotraps2sizeTransformers10Turbo-Brayton1GJMid-size(Special)10CryopumpsFCLGifford-SMESGM+JTMotorsMcMahonFCLBearings10Maglev1MJWirelessMRIMicro-SMES10ycnueHZBOqMagneticref2woRE

7、FRIGERATIONPOWER(W)LLTSNbNTE10ElectronicsElect.IRSpaceHTSSQUIDsradiators10He510H250100300JTJTN2TEMPERATURE(K)JT第二部分回热式制冷循环¾热机（发动机和制冷机）¾热力学原理和工作特点热机简介¢最基本的热机有两类：发动机和制冷机THTHQHQHWWEngineRefrigeratorQCQCTCTC(a)发动机(b)制冷机热力学原理热力学第一，二定律规定了能量平衡关系与热功转换效率的上限热力学第一定律:Qh−Qc=WWT−Thcη=≤=η热力学第二定律

8、:Carnot发动机QThhQTccCOP=≤=COPCarnot