稀释制冷机原理

稀释制冷机

He3-He4稀释制冷机原理图

1-混合器 （10mk） 2-热交换器 3-蒸馏器（0.6-0.7K）4-液池冷凝器（1K） 5-液氦预冷 6-液氮预冷 7-机械真空泵 8-液氮冷却的冷阱 9-扩散泵 10-限流器 11-真空阀

1951年H.London提出可以用超流4He稀释3He的方法制冷的理论。到1965年P.Das等人根据这一理论制成了3He-4He稀释制冷机，目前已达到2mK的低温。它可以长时间地维持毫K范围的温度，有较大的冷却能力，已成为获得毫K温度的最重要的手段和设备。

3He，4He的混合液在0.86K以上时，液3He可以以任何比例溶解在液4He中，但是当混合溶液的温度降到0.86K以下时，混合液则分离成两相，其中含3He多的相称为浓缩相，而含3He少的相称为稀释相。在低于0.86K的任一温度都对应于一定的3He含量的稀释相和浓缩相，并达到相平衡。当从稀释相中取走3He原子时，为了保持两相的平衡，则由浓缩相中的3He通过相界面进入稀释相以补充被移去的3He原子。可以计算得3He在稀释相中的焓和熵比在浓缩相中要大得多。所以这种稀释过程需要吸热，利用这个吸热现象制成了稀释制冷机。 从稀释制冷机的结构图来看，包含相界面的室称做混合室，3He原子从浓缩相经过相界面进入稀释相要吸热而制冷，使温度降低。包含稀释相的自由表面的室称为蒸馏室，温度维持在0.6～0.7K。此时3He的饱和蒸气压远高于4He的饱和蒸气压，可以用抽气机抽走，这时浓缩相中的3He原子就不断地通过相界面进入稀释相，抽走的3He经过冷凝再补充到浓缩相中形成循环，使制冷机不断地运行。

稀释制冷机工作流程

1.混合器的上部的浓He3相和下部的稀He3相（6.4%）之间存在He3浓度梯度，于是上部的He3原子不断向下部扩散。此过程中，上部浓相由于熵减小必然吸热，产生制冷效应。

2.同时，下部稀He3相与蒸馏器（1.5%）内也存在He3的浓度梯度，于是He3原子可以源源不断的穿过超流体He4向蒸馏器扩散。

3.在蒸发器内，由于He3的蒸汽压比He4高的多，在加热器的作用下，大部分的He3原子穿过小孔经进预冷向真空泵扩散。

4.真空泵部分，首先用机械泵将系统压力降至1.0pa,然后开动扩散泵，使系统保持高真空。

5.大部分的He3和小部分的He4蒸汽在真空泵作用下，先后经液氮预冷、液池冷凝器、蒸馏器和热交换器进入混合器，补充到浓He3相，实现连续制冷过程。

采用量子流体力学角度的二流体模型：

液HeⅡ的行为正常流体如两种自由混杂的流体混合物（正常流体和超流体），在忽略粘滞效应和线性近似的条件下，得到动力学方程如下: ρ=ρn+ρs n正常流体；s超流体

记 j为单位体积液氮的动量，则

j=ρnvn+ρsvs

??divj?? ?t

?v1?(v?grad)v??gradp

?t?

将此速度欧拉方程速度二次项忽略，可简化为：

?j ??gradp?t

不考虑粘滞性，两个流体的运动时可逆的，熵 守恒，即：

?(?s)??div(?svn)

?t

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