脉管制冷机是回热式低温制冷机中的一个分支。由于不含运动部件，脉管制冷机具有低振动、低电磁噪声、高可靠性、长寿命等突出优点，非常适合中国当前的工业环境。课题组由此入手，所研发的单级脉管制冷机创造并保持了同类制冷机最低制冷温度记录——10.6K。
“K”是低温研究领域的标识符号——热力学温标，而0K，等于-273.15℃，在这样的温度下，构成物质的所有分子和原子均停止运动，因此这一温度又被称为绝对零度。120K等于-153℃，以上为普冷，120K以下的被称为低温。当温度低于77K也就是-196℃时，空气中的氮气将变成液体，研究者称这个温度范围为“深低温”。在这样的低温下，由于量子效应，一些物质会拥有罕见的特性，如超导电性、超流性等；不同沸点的物质可以被分离，比如空气中的氧气和氮气；由电子热运动引起的热噪声在低温下会得到抑制……低温制冷技术所创造的深低温环境是现代高科技发展和应用的基本支撑条件之一，应用于核磁共振、红外制导、超导磁悬浮和深空探测等航天、医疗等众多领域。
由于我国在低温制冷领域的发展历史相对较短，整体工业水平落后，高效可靠的低温制冷技术长期以来都被发达国家垄断。而即使是在国际上，作为不可或缺的重要低温设备，回热式低温制冷机也面临着制冷效率低、结构复杂、可靠性差等技术缺陷。
从1990年起，浙江大学能源工程学系教授陈国邦和他的团队就开始致力于深低温回热制冷关键技术的研究。
“回热式低温制冷机为什么会有这么多的毛病？我们分析认为，一个根本原因就是当时的低温工作者没有透彻了解和掌握深低温回热制冷技术与传统技术的原则不同。” 项目主要完成人之一邱利民教授说。结合国家重大战略需求和低温学科发展需要，在国家项目的连续支持下，陈国邦课题组从突破回热低温制冷理论出发，开展了深低温回热制冷技术的创新，将研发的低温制冷机推向国家急需的重点领域应用，取得了一系列技术发明成果。
人工制冷的温度极限到底是多少？这是低温制冷机研究中最基本的科学问题。然而，受到当时认识水平的限制，这个答案一直没有得到明确。1992年，陈国邦课题组首次证明了回热式低温制冷机的理论制冷温度可接近工质氦的λ线，即等熵膨胀系数为零的温度线，预测出采用氦-4 制冷可达到2.2K 附近，而采用氦-3 可望获得大约1K 的低温。比荷兰学者用其它方法获得的相似结论整整早了7 年。
在此之前，氦-3的宽范围状态方程一直是个谜。课题组突破传统观念，将适用于晶体的“德拜比热容理论模型”拓展到低温量子流体，建立了宽范围、高精度的氦-3 状态方程，填补了该领域的空缺。
在此基础上，为了满足工程技术需要，课题组绘制了完整的氦-3 温-熵图、压-焓图，开发出热物性计算软件He3Pak，通过美国低温热物性权威公司Cryodata 的认证，向全球发行，为2K以下低温制冷机设计奠定了基础。
解决了理论问题，课题组把研究目标瞄准了低温制冷机的研制上。课题组发明了双小孔脉管调相技术，将附加热流通过“双小孔”引出并加以控制，成功打破了“双向进气”结构的瓶颈。利用该技术，课题组率先使用两级脉管制冷机获得了3.0K的低温，达到了日本用三级才能实现的水平，简化了制冷机结构。此外，课题组还发明了双阀双向进气结构，以减少寄生热流的损失，由此得到的单级脉管制冷机创造并保持了单级脉管制冷机最低制冷温度记录——10.6K。
“结构紧凑的制冷机有很多好处，因为它们可以用在战斗机、坦克车、航天器等对体积和重量要求非常高的地方。这点在地面上看起来也许不那么重要，但是上了天以后，多一点点重量都会带来很多问题。”邱利民说。
同时，课题组设计了更进一步的低温目标。温度越低，难度越大，效率也会越低。要想达到足够的深低温，必须采用多级结构的制冷机。邱利民比喻说：“如果你获得了足够的制冷量，还得把它带走才行。好比你跑到一个大金矿里去挖黄金，如果你的身板不行，即便里面有10吨黄金，你也只能带走10斤。”
传统的制冷机两级之间采用“气耦合”的方式传递制冷量，气体共同占用一个换热通道，其缺点是气体间的干扰较大，制冷效率较低。对此，课题组提出了一种“热耦合”的新结构，将两级之间用热传导的方式进行连接，解决了级间气量分配的难题。在制冷过程中，随着温度的降低，回热器的材料性能也随之恶化，那么怎样提高换热器在低温下的性能？通过在不同温区使用不同的高性能材料，课题组提出了复合填料回热器优化方法，成功解决了低温下的回热器效率问题。
基于上述实用化技术，课题组研制的两级分离型脉管制冷机获得了同类制冷机的国际最好结果，单级斯特林制冷机的制冷性能达到国外对我国封锁的同类制冷机相同水平。
国际低温权威、美国国家标准技术研究院低温技术负责人Radebaugh 博士这样评价道：“中国研究者特别擅长于推进脉管制冷机的低温极限。”
该项目的研究所取得的成果在深低温制冷机领域形成了我国的技术体系，有力地支撑了国内低温制冷机研究；在低温领域国际权威期刊CRYOGENICS 最近五年引用率最高的TOP 10 论文中，项目发表的论文位列第六，也是中国唯一的论文。
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（文 吴雅兰/摄影 卢绍庆）
