脉管减振型闭循环制冷机

牛津仪器纳米科学部今天发布了新一代大型无液氦稀释制冷机 ProteoxLX（简称LX）。作为牛津仪器公司Proteox系列稀释制冷机的新成员，LX保留了Proteox系列的模块化设计，保持同系列制冷机之间二级插件的互换性和易用性。同时，LX为规模化量子计算优化了相关性能：LX优化了制冷能力：基础温度低于7mK，并且在20mK时的制冷功率大于25µW。双脉管冷头设计可以在4K盘提供额外的制冷功率。 为了适应更多比特数需求，LX系统升级了样品空间和相应同轴布线容量，支持安装两个完全可定制的二级插件，用于布局低温电子学配件和大量的同轴线。LX的低振动特性可降低环境噪声，从而提升量子比特的相干时间。牛津仪器提供在LX上完整集成低温电子学配件的服务。牛津仪器纳米科学部总经理Stuart Woods说,”我们一直致力于用领先的技术创新来支持量子计算研究的发展和商业化。我们在过去12个月里和多个量子计算团体建立合作，这将加速推动量子计算的工业化应用，最终将为制药等主要行业实现更快的研发和生产。”自从去年三月推出Proteox系列稀释制冷机以来，牛津仪器已经宣布与格拉斯哥大学以及两个领先的量子计算初创公司Rigetti和Oxford Quantum Circuits建立合作关系。牛津仪器纳米科学部今天正式宣布将为中国深圳量旋科技公司（SpinQ）提供Proteox无液氦稀释制冷机，以进行量子计算相关研究。关于牛津仪器纳米科学部：作为牛津仪器集团公司的一个重要组成部门，牛津仪器纳米科学部拥有有超过六十年的超导磁体和极低温制冷设备的研发和制造经验，牛津仪器纳米科学部始终致力于为量子技术，新材料表征和新物性测量等研究提供先进的一体化的极低温和强磁场测量解决方案。关于量旋科技：深圳量旋科技（SpinQ）扎根于量子计算领域，专注于桌面型核磁共振量子计算机、量子计算测控系统、以及量子计算相关软件的自主研发，推动量子计算的普及化和商业化，让量子计算改变世界。

近日，上海技物所党海政研究员课题组以四级高频脉冲管循环作为前级、JT循环作为终端的复合制冷循环实验方案，获取了迄今为止公开报道的基于多级高频脉冲管耦合JT的复合制冷循环实际获取的最低温度——1.36 K。在此基础上，该团队针对目前获取2 K以下温度的具体实践均需使用昂贵而稀缺的氦-3工质，严重阻碍实用化推广的缺点，提出了以氦-4为唯一工质的创新复合制冷循环方案，并进一步联合上海微系统所尤立星团队，将以氦-4为唯一工质的复合制冷机应用于冷却实际的超导纳米线单光子探测器（SNSPD），通过对系统探测效率和暗计数率等关键指标的实测，结果表明该制冷机可以为SNSPD提供1.84 K工作温度和良好电环境，使其保持稳定可靠的工作状态。以上研究结果为该类复合制冷循环技术在未来的空间应用和进一步实用化奠定了重要基础，相关成果先后发表于低温和超导领域国际期刊《Cryogenics》、《IEEE Transactions on Applied Superconductivity》及国内综合性学术期刊《科学通报》上。 相关工作得到国家自然科学基金、上海市“量子信息技术”市级重大科技专项、上海市产业协同创新项目以及上海市科技创新行动计划项目资助。上海量子科学研究中心、上海铂钺制冷科技有限公司、中科院上海微系统与信息技术研究所、赋同量子科技（浙江）有限公司、中国科学院大学等作为合作单位给予了重要支持。上海技物所1~2 K温区复合制冷机典型实物图：(a)系统整体布置 (b) 低温端细节 【附】相关已发表的系列学术论文链接如下：（1）以氦-4为唯一工质的1.8 K复合制冷机：https://engine.scichina.com/doi/10.1360/TB-2021-1305 （2）复合制冷循环获取1.36 K的实验验证：https://doi.org/10.1016/j.cryogenics.2022.103452 （3）工作于1 K温区的复合制冷循环理论：https://doi.org/10.1016/j.cryogenics.2021.103282 （4）复合制冷循环获取1.52 K的实验结果：https://doi.org/10.1109/TASC.2021.3060357 （5）3.3 K四级高频脉冲管循环理论研究：https://doi.org/10.1016/j.cryogenics.2019.103014 （6）3.3 K四级高频脉冲管循环实验验证：https://doi.org/10.1016/j.cryogenics.2019.103015 （7）三级高频脉冲管循环理论与实验：https://doi.org/10.1016/j.cryogenics.2018.05.005

p style=" text-align: justify text-indent: 2em " span style=" font-family: & quot times new roman& quot " 适应温度环境试验箱的制冷剂显然应该满足温度环境试验的基本要求，包括：& nbsp /span /p p style=" text-align: justify text-indent: 2em " span style=" font-family: & quot times new roman& quot " strong 1）标准气化温度（ts) /strong /span /p p style=" text-align: justify text-indent: 2em " span style=" font-family: & quot times new roman& quot " 制冷剂从液态蒸发成为气态的温度由其工作压力所决定，在标准大气压下制冷剂由液态蒸发成为气态的温度称为制冷剂的标准气化温度（ts)，如R22的标准气化温度ts=-40.8° C；R502的标准气化温度ts=-45.6° C；R404A的标准气化温度ts=-47.6° C；R23的标准气化温度ts=-82.2° C。制冷剂工作压力越低，其气化温度也越低，反之，如果要求某制冷剂（如R12）的蒸发温度到达某个低温值（-40° C），则必须调整其工作压力低于某个相应的压力（如0.6MPa)，称该压力值为饱和蒸汽压力。 /span /p p style=" text-align: justify text-indent: 2em " span style=" font-family: & quot times new roman& quot " 为了避免空气渗入到制冷系统内降低制冷效率，温度试验箱制冷系统正常运行压力(如蒸发压力，冷凝压力，吸气压力等）一般都应稍高于当地的大气环境压力，因此制冷剂的标准气化温度（ts）是温度试验箱可能达到的最低极限温度。考虑到蒸发器传热的温差要求，温度试验箱可能达到的最低温度一般应比制冷剂的标准气化温度(ts)高3° C~7° C。& nbsp /span /p p style=" text-align: justify text-indent: 2em " span style=" font-family: & quot times new roman& quot " strong 2）冷凝压力Pk不能太高 /strong /span /p p style=" text-align: justify text-indent: 2em " span style=" font-family: & quot times new roman& quot " 冷凝压力Pk是从压缩机排出的高温高压的蒸汽在冷凝中被冷却为液态的工作压力，这个压力受冷却介质的温度和压缩机排气压力所制约。压缩机排气压力越高，冷却介质的温度越低，则制冷剂的蒸气越容易冷凝。但是提高压缩机的排气压力不仅会加大压缩机的功耗，缩短压缩机的工作寿命，而且容易出现工质的泄漏。另一方面，冷却介质的温度受大气环境温度（风冷）和冷却水温度（水冷）的限制不可能太低，通常情况下，冷却介质进入冷凝器的入口温度为24° C~29° C，冷凝器出口处冷却的温度为40° C~50° C，冷却介质的平均温度在30° C~50° C范围内，例如制冷剂R502的冷凝压力Pk大体是1.5MPa~2.0MPa,由于工质在管道内流动的压阻损失，压缩机的排气压力必须高于冷凝压力Pk，所以使用制冷剂R502的压缩机排气压力必须是1.8MPa~2.2MPa。 /span /p p style=" text-align: justify text-indent: 2em " span style=" font-family: & quot times new roman& quot " strong & nbsp 3）制冷剂的溶油性与溶水性 /strong /span /p p style=" text-align: justify text-indent: 2em " span style=" font-family: & quot times new roman& quot " 制冷剂应该有一定的溶油性和溶水性。制冷剂中溶入润滑油后，有利于制冷系统中各种运转零部件的润滑，特别是在冷凝器中具有溶油性的液态制冷剂会带走因冷凝效应凝聚在冷凝器内壁上的油膜，可以降低贴符在冷凝器内壁上油膜对冷凝器热交换效率的影响。但是当液态制冷剂带着溶油进入蒸发器后，随着液态制冷剂的蒸发，气化，会在蒸发器内在实际的制冷系统中，压缩机的排气口之后都加装有油气分离器，限制制冷剂中的溶油量。同时在蒸发器的安装中采取一些回油的措施，如复叠式制冷机组中的蒸发冷凝器通常采用盘管式蒸发器，液态制冷剂从盘管的上部进入蒸发冷凝器，气化后的蒸汽从下部返回压缩机吸气口，吸附在蒸发器的内壁的油液也会在重力与压缩机吸气负压的作用下返回压缩机的油池中。 /span /p p style=" text-align: justify text-indent: 2em " span style=" font-family: & quot times new roman& quot " 对于壳管式蒸发器，回气管道安装时必须向压缩机吸气口方向有一定的倾斜度，便于残留的油液依靠重力的集油作用，被压缩机的吸气负压吸回压缩机内。制冷系统中渗入水汽会在低温段的局部地方形成“冰塞”，阻挡制冷剂的顺利流动，所以在制冷系统中无一例外地在冷凝器之前都安装有“干燥过虑器”，吸收可能渗入制冷系统中的水分，并且在安装和维修制冷系统时，适当增加抽真空的时间，以有利于制冷系统中残留水分在真空状态下加速蒸发、排除。但这些措施不能完全清除渗入制冷系统中的水汽。为确保制冷系统正常工作，采用具有溶水性的制冷剂可以携带极少量残余的水汽循环运行。例如采用溶水性能好的氨作为制冷工质的制冷系统，基本上无“冰塞”之忧，而采用溶水性能差的氟利昂作为制冷工质的制冷系统必须特别重视“干燥”除水的要求，及时更换“干燥”过滤器的滤芯。 /span /p p style=" text-align: justify text-indent: 2em " span style=" font-family: & quot times new roman& quot " strong 4）& nbsp 制冷剂单位容积的制冷量 /strong /span /p p style=" text-align: justify text-indent: 2em " span style=" font-family: & quot times new roman& quot " 此外，还希望制冷剂单位容积的制冷量大，可减小制冷机组的尺寸；具有较高的导热系数，可减少冷凝器和蒸发器的换热的面积；黏度低且密度较小，可降低管道流动中的阻力，减少管路压降；化学及物理性能稳定，无腐蚀性，无毒，不燃烧，不爆炸，具有一定的抗电性能等。在实际工程中，温度环境试验箱最低极限温度一般为：-40° C~-35° C或-75° C~-70° C，采用大气环境温度的风和地表的水为冷却介质的冷凝器进口温度通常不高于30° C，故温度试验箱制冷系统最常使用的制冷剂是R404A和R23(R508B)。 /span /p