稀釋制冷機是一種相對復雜的系統，要實現其順利達到極低的mK溫區并平穩運轉，需要能實現不同功能的各關鍵部件之間的協同配合。特別是要從常溫降低到接近絕對零度的mK溫區，還需要分階段的接力制冷才能實現，這也是稀釋制冷機在結構上常常被劃分為預冷級、深低溫級和極低溫級等不同冷級的原因之一。但是，這些不同冷級對于制冷和傳熱的要求常常又是互相矛盾的，于是使得稀釋制冷機系統變得微妙而復雜。
例如，在初始降溫階段，所有的冷級均處于常溫，這時候需要將預冷級的冷量迅速傳導到深低溫級和極低溫級，此時就要求預冷級和后二者之間有極小的熱阻，以利于冷量的快速傳遞；但是，當預冷級、深低溫級和極低溫級三者之間達到熱平衡時（通常是在約4K的液氦溫區），深低溫級和極低溫級需要進一步降低至亞開爾文溫區，此時預冷級就忽然變成了一個很大的熱負載，預冷級（除內部循環之外的部分）就必須和后二者完全物理斷開。那么，有沒有一種部件，它在某一特殊需要的時候熱阻盡可能小，而在另一特殊需要的時候熱阻又變成無限大呢？答案是肯定的，人們在實踐中發明了這種部件——熱開關。
熱開關的種類有很多，但可應用于稀釋制冷機的熱開關，此前在我國的發展還嚴重滯后，已在國外稀釋制冷機產品中獲得應用的熱開關，往往也是連同整機一起禁運的。有鑒于此，黨海政研究員帶領的鉑鉞科技和上海技物所聯合研究團隊，基于實用化稀釋制冷機的迫切需求，近期研制出一種新型的環路氣隙熱開關，它具有旋轉對稱結構，內部密布環形肋片以增強熱傳導效果。聯合研究團隊首先提出了考慮氦氣工質在寬泛溫區內實際氣體性質的數值仿真模型，繼而系統地模擬了熱開關內部的傳熱與流動特性，其中對系統充氣壓力、冷端工作溫度、環形肋片壁厚和壁高等關鍵參數對平均熱導率的影響做了詳細研究，最后結合實際的稀釋制冷機樣機，實驗驗證了所提出模型以及具體設計的合理性。相關研究結果已于近期發表在低溫制冷領域國際期刊《Cryogenics》上。
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以上研究結果不但對于稀釋制冷機用特殊熱開關的設計和優化提供了有益的理論指導，而且從關鍵部件研制方面直接支持了國產化mK溫區無液氦稀釋制冷機的研究進展，具有重要意義。
上述研究得到國家自然科學基金、上海市科委重大項目、上海市“量子信息技術”市級重大科技專項等研究計劃的支持，特此致謝。
【附】上述已發表的學術論文鏈接：
https://doi.org/10.1016/j.cryogenics.2024.103818
滬公網安備 31011402009347號