浏览全部资源
扫码关注微信
稀释制冷机蒸馏室出口超流氦爬膜抑制结构的性能评估
Performance Evaluation of Suppression Structure for Superfluid Helium Film Flow at the Exit of Dilution Refrigerator Still Chamber
- 制冷学报 2026年47卷第2期 页码：20-25
- 作者机构：
1.中国科学院低温工程学重点实验室 中国科学院理化技术研究所 北京 100190
2. 中国科学院大学 北京 100049
3. 中国科学院苏州纳米技术与纳米仿生研究所 苏州 215123
4. 上海交通大学制冷与低温工程研究所 上海 200240
- 作者简介：
王亚男，女，助理研究员，中国科学院理化技术研究所，13683679250，E-mail： wangyanan@mail.ipc.ac.cn。研究方向：极低温，稀释制冷。
- 基金信息：国家重点研发计划(2021YFC2203400);国家自然科学基金(52176027)
DOI：10.12465/issn.0253-4339.20241113003
中图分类号： TB661;TB61+1;TB651- CSTR：XXXXX.XX.XXX.20241113003
收稿：2024-11-13，
修回：2024-12-11，
录用：2024-12-12，
纸质出版：2026-04-16
- 稿件说明：
移动端阅览
李志恒,程维军,时文华等.稀释制冷机蒸馏室出口超流氦爬膜抑制结构的性能评估[J].制冷学报,2026,47(02):20-25.
Li Zhiheng,Cheng Weijun,Shi Wenhua,et al.Performance Evaluation of Suppression Structure for Superfluid Helium Film Flow at the Exit of Dilution Refrigerator Still Chamber[J].Journal of Refrigeration,2026,47(02):20-25.
李志恒,程维军,时文华等.稀释制冷机蒸馏室出口超流氦爬膜抑制结构的性能评估[J].制冷学报,2026,47(02):20-25. DOI： 10.12465/issn.0253-4339.20241113003. CSTR： XXXXX.XX.XXX.20241113003.
Li Zhiheng,Cheng Weijun,Shi Wenhua,et al.Performance Evaluation of Suppression Structure for Superfluid Helium Film Flow at the Exit of Dilution Refrigerator Still Chamber[J].Journal of Refrigeration,2026,47(02):20-25. DOI： 10.12465/issn.0253-4339.20241113003. CSTR： XXXXX.XX.XXX.20241113003.
摘要
超流氦（
4
He）由于其量子特性，在极低温下会产生超常热导效应、喷泉效应和爬膜效应等特殊现象。稀释制冷机以
3
He作为循环工质，
3
He在混合室穿过相界面产生制冷效果，在蒸馏室蒸发后由室温泵组抽出。蒸馏室内部的超流氦会在壁面上形成液膜并向高温处流动，其超常的热导率会使蒸馏室漏热较大，并且超流氦液膜在蒸发后会影响循环过程中
3
He的纯度，进而影响稀释制冷的制冷量。“刀口”和“小孔”结构是限制超流氦爬膜的主要方式。通过计算分析了循环工质
3
He的纯度对稀释制冷机制冷量的影响以及“小孔”的大小对系统
3
He循环流量的限制，通过实验测试了在0.95 K时分别设置“小孔”和“刀口+小孔”时超流氦爬膜的质量流量，使用“刀口+小孔”比单独使用“小孔”超流氦爬膜抑制效果提升约35.6%。
Abstract
Superfluid helium （
4
He） exhibits special phenomena such as anomalous thermal conduction
fountain
and crawling film effects at sub-Kelvin temperatures owing to its quantum properties. Dilution refrigerators utilize
3
He as the working fluid for circulation.
3
He produces cooling effects as it passes through the phase interface in the mixing chamber. It is then pumped out by a room-temperature pump after evaporation in the still chamber. The superfluid helium inside the still chamber forms a liquid film on the wall and flows toward higher temperatures. This results in significant heat leakage owing to its anomalous thermal conductivity. The superfluid helium liquid fil
m also affects the purity of
3
He during the circulation process
thereby influencing the cooling capacity of the dilution refrigerator. The “knife-edge” and “small orifice” structures are the primary means for suppressing superfluid helium films. This study analyzed the impact of the purity of the working fluid
3
He on the cooling capacity of the dilution refrigerator and the limitation placed on the system's
3
He circulation flow rate by the size of the “small orifice”. Experimental tests were conducted to measure the mass flow rate of the superfluid helium crawling film at 0.95 K with two types of suppression structures: “small orifice” and “knife-edge with small orifice”. The use of “knife-edge with small orifice” resulted in a 35.6% improvement in the suppression effect of the superfluid helium crawling film compared with the use of “small orifice” alone.
关键词
Keywords
references
VENTURA G ， RISEGARI L . The art of cryogenics low-temperature experimental techniques ［M］. Amsterdam ： Elsevier ， 2008 .
BIJL A ， DE BOER J ， MICHELS A . Properties of liquid helium II ［J］. Physica ， 1941 ， 8 （ 7 ）： 655 - 675 .
张鹏 ， 王如竹 . 超流氦传热 ［M］. 北京 ： 科学出版社 ， 2009 .
ZHANG Peng ， WANG Ruzhu . Superfluid helium heat transfer ［M］. Beijing ： Science Press ， 2009 .
ZU Hongye ， CHENG Weijun ， WANG Yanan ， et al . Experimental analysis of condensation-pump dilution refrigerators ［J］. Acta Physica Sinica ， 2023 ， 72 （ 8 ）： 080701 .
GUAN Xiang ， FAN Jie ， BIAN YONG bo ， et al . An efficient numerical method for modeling silver powder heat exchanger in dilution refrigerator ［J］. Cryogenics ， 2024 ， 141 ： 103891 .
ZHENG Maowen ， LI Jianguo ， GUO Haowen ， et al . Experimental study on a dry dilution refrigerator driven by a high-power linear compressor ［J］. Cryogenics ， 2024 ， 138 ： 103802 .
CHENG Weijun ， ZU Hongye ， LI Zhiheng ， et al . Thermodynamic analysis and optimization of a condensation-driven dilution refrigerator ［J］. Journal of Applied Physics ， 2024 ， 135 （ 23 ）： 235901 .
ZU Hongye ， CHENG Weijun ， WANG Yanan ， et al . Numerical investigation of a condensation-driven dilution refrigerator ［J］. International Journal of Refrigeration ， 2023 ， 151 ： 228 - 240 .
UHLIG K . Dry dilution refrigerator with pulse tube shutoff option ［J］. Cryogenics ， 2023 ， 130 ： 103649 .
JI Zhongqing ， FAN Jie ， DONG Jing ， et al . Development of a cryogen-free dilution refrigerator ［J］. Chinese Physics B ， 2022 ， 31 （ 12 ）： 120703 .
ZU H ， DAI W ， DE WAELE A T A M . Development of dilution refrigerators — a review ［J］. Cryogenics ， 2022 ， 121 ： 103390 .
WHEATLEY J C ， VILCHES O E ， ABEL W R . Principles and methods of dilution refrigeration ［J］. Physics Physique Fizika ， 1968 ， 4 （ 1 ）： 1 - 64 .
NACHER P J ， DUPONT-ROC J . Experimental evidence for nonwetting with superfluid helium ［J］. Physical Review Letters ， 1991 ， 67 （ 21 ）： 2966 - 2969 .
EZOE Y ， DIPIRRO M ， FUJIMOTO R ， et al . Porous plug phase separator and superfluid film flow suppression system for the soft X-ray spectrometer onboard Hitomi ［J］. Journal of Astronomical Telescopes， Instruments， and Systems ， 4 （ 1 ）： 1 .
ODA Y ， FUJII G ， ONO T ， et al . Practical design of heat exchangers for dilution refrigerators： part 2 ［J］. Cryogenics ， 1983 ， 23 （ 3 ）： 139 - 147 .
POBELL F . Matter and methods at low temperatures ［M］. Berlin， Heidelberg ： Springer Berlin Heidelberg ， 2007 .
SHIRRON P J ， DIPIRRO M J . Suppression of superfluid film flow in the XRS helium dewar ［M］// Advances in Cryogenic Engineering . Boston， MA ： Springer US ， 1998 ： 949 - 956 .
ISHIKAWA K ， EZOE Y ， YAMAGUCHI H ， et al . Porous plug and superfluid helium film flow suppressor for the soft X-ray spectrometer onboard Astro-H ［J］. Cryogenics ， 2010 ， 50 （ 9 ）： 507 - 511 .
MAY A J ， COPPI G ， HAYNES V ， et al . A highly effective superfluid film breaker for high heat-lift 1 K sorption coolers ［J］. Cryogenics ， 2019 ， 102 ： 45 - 49 .
PRADHAN J ， DAS N K ， CHAKRABORTY A . Thermo-dynamical process simulation of dilution refrigerator ［J］. Cryogenics ， 2013 ， 57 ： 158 - 165 .
0
浏览量
631
下载量
0
CSCD
- 网络PDF下载
- Meta-XML下载
- BibTeX下载
- Endnote下载
- RefMan 下载
- NoteExpress下载
- NoteFirst下载
关联资源
相关文章
相关作者
相关机构
- 地址：北京市海淀区阜成路67号银都大厦10层 邮编：100142
- 联系电话：010-68711412 Email：editor@car.org.cn
- 技术支持由北京北大方正电子有限公司提供 京ICP备09064830号-19
京公网安备11010802024621 - 本系统建议在Chrome、 IE9+ 以上版本浏览器阅读本站内容，360浏览器请切换至极速模式
- Cookies帮助我们提供服务并提供个性化体验。使用本网站，即表示您同意我们使用Cookies