研究
我们的研究致力于拓展热声技术的发展与应用空间
  • 热声技术介绍

    热声技术介绍

         热声效应实质上是热能和机械能通过声波(或称为“压力波”)进行的能量转换过程。当气体被热能加热而温度上升时,受热气体体积膨胀,膨胀过程也同时被推入温度较低的区域而又会失热收缩。与此同时的另一方面,膨胀气体产生压力波(即声波)以声速向外传播,在一些机械结构(如管或腔)中产生声波反射,反射回波将前述受冷失热的气体再次推回到加热区域,进而再次膨胀,以此循环往复形成一个热-声自激过程。此过程就是“正热声效应”,即热产生声的过程。利用这一效应可以制造出将热能转换为以声波(压力波)形式的机械能的装置。这样的装置被称为“热声发动机”,是一种新型的热机。可应用于低温制冷机 。

         “逆热声效应”则相反,在一些特定的机械结构中,由其他装置产生的声波会产生“泵热”现象。因为声波的纵波特性,气体在不同空间位置因相位的不同而压缩或膨胀,结合机械结构的声学谐振特性,不同区域形成不对称的膨胀与压缩,也就导致温场分布发生变化,形成泵热效应。利用逆热声效应,通过合理的声学设计,由压力波发生器、回热器和调相机构可以构造出制冷机或热泵。可应用于低温制冷机 。

  • 中科力函:创新十年

    创新十年

    2007年:起步

         中国科学院理化研究所研究员罗二仓博士凭借其在热声技术领域取得的突破荣获中国物理学最高成就-胡刚复奖。同年,中科力函成立,致力于实现热声技术的产业化,罗二仓博士也兼任中科力函首席科学家。

    2008-2013年:技术研究与社会认可

         公司成立伊始,我们专注于技术的研究和产品的开发,并在这段期间获得了社会各界的广泛认可,获得了2009年首届中国(深圳)创新创业大赛第一名等奖项。

    2014年:低温制冷公司成立

         随着我们在低温制冷领域技术的成熟,公司在2014年成立了中科力函(深圳)低温技术有限公司。该子公司专注于低温制冷产品的设计,研发和市场销售。这里聚集了一流的研发设计团队及按照ISO国际标准认证的建立起生产设施和管理体系,持续地为我们的客户提供高质量的低温制冷产品。

    2015年:商业突破及持续的研发工作

         在专注研发和深入理解市场应用需求多年后,公司在2015年实现了商业上的突破。包括与某国际著名核工业公司达成了长期伙伴关系。同时,我们继续把主要的精力和资源放在产品与技术研究上,更好地理解和开拓应用领域,期待能够源源不断地提供更多高质量的创新性产品。

  • 中科力函研发成果与获奖记录

    获奖记录

    Awards & Prizes

     

    2006-2007    胡刚复物理奖(我国物理学最高奖之一)

                          Hu Gangfu Prize in Physics (Highest Honor in Physics in China)              

             2008     深圳市高新技术企业

                          Municipal High-Tech Firm, Shenzhen City    

             2008     深圳市南山区“创业之星”大赛第四名

                          No.4, Star of Entrepreneurship Competition, Nanshan Dist., Shenzhen

             2009     首届中国(深圳)创新创业大赛第一名

                          Winner, China Innovation Entrepreneurship Competition

             2009     联合国工业发展组织蓝天优秀奖

                          Merit Award, United Nations Industrial Development Organization

     2009-2010    连续2年被中科院广州分院评为“创新岗位”

                         深圳市发改委“深圳热声技术工程实验室”,列为“深圳市新能源战略性储备技术”

                         中国国际工业博览会创新奖

                         Award in Innovation, China International Industry Expo

            2011     深圳市绿色创新标杆企业

                         Merit Award, Shenzhen Green Innovation Development Organization

            2012     广东省重点新产品称号

                         Provincial Yearly New Product, Guangdong Province

            2013     中国电子装备工业设计大奖

                         Grand Prize, China Digital Equipment Industrial Design Competition

            2014     国家高新技术企业         

                         National High-tech Firm

            2014     深圳市科学技术奖技术发明奖

                         Prize in Invention, Shenzhen Science and Technology Competition

            2014     深圳第四届自主创新百强中小企业

                         Top 100 List, 4th Shenzhen Small-Medium Sized Entrepreneurship

                         Competition

           2015      获得ISO9001:2008的认证

                         ISO9001:2008 Certificate

  • Small volume integrated structure greatly reduces the volume of the refrigerator and the required installation space

     

     TC4177 Keli letter of the second generation of refrigeration machine by a new flotation design concept and advanced vessel manufacturing process, provides the technique and theory support to truly long-life cryocooler. Small volume integrated structure greatly reduces the volume of the refrigerator and the required installation space. The use of advanced heat pipe radiator technology for high performance, low noise guarantee. Dedicated low temperature control technology to provide professional control for the stability of the refrigeration performance. At present, mainly used in the cooling of high temperature superconducting filter, high purity germanium detector cooling, scientific research teaching and other fields.

  • 超高效新型热声低温制冷机技术取得重要进展

         超高效新型热声低温制冷机技术取得重要进展

         众多高新技术应用中的低温电子器件(超导滤波器、红外探测器、核辐射探测器等)冷却需要高效、紧凑和超低振动的微型低温制冷机技术,采用直线压力波发生器驱动脉管制冷或者自由活塞斯特林制冷是目前国际上研究开发的热点。 

         近期,由中科院理化技术研究所和中科力函(深圳)热声技术有限公司联合研制出的一种新结构和新调相机理的液氮温区微型低温制冷机技术在制冷效率上取得重大突破。该技术采用对置压缩机驱动脉冲管制冷,但脉冲管的调相机构采用一种对置的室温排出器调相机构,而不是传统惯性管加气库的调相结构,其独特的优点是可以自由调节脉管热端的压力波和速度波相位,又能回收脉管热端的声功,同时结构更为紧凑(没有惯性管和气库)。基于此原理,中科院理化所罗二仓研究小组的王晓涛博士等人对该新结构的制冷系统进行了深入的机理分析和热力学优化,而与其合作的中科力函(深圳)热声技术有限责任公司的李海冰等工作人员则根据热力学优化进行了机械结构的巧妙设计,最终研制的同轴型新型低温制冷机获得了38.5K的无负荷温度,在液氮温区(80K)下取得了26.4W的制冷功率,消耗的电功为290W,相对卡诺效率则达到了24.2%的超高效率。同时,由于直线电机和室温排出器的双对置结构,该系统的振动极小,保持了传统脉管低振动的优点。 

         此前,国际上众多著名研究机构和国际知名低温制冷机公司如美国的NIST、美国的Sunpower公司以及欧洲的Thales公司、Leybold公司、以色列的Ricor公司等所研制的同轴脉管型小功率制冷机的相对卡诺效率一般在15%左右,而美国的Sunpower公司自由活塞斯特林制冷机(也是一种同轴结构)效率也未超过20%。中科院理化所罗二仓研究小组在2010年研制的同轴脉管曾获得18.5%的相对卡诺效率(J.Y.Hu, W.Dai,E.C.Luo, et al, Development of high efficiency Stirling-type pulse tube cryocoolers, Cryogenics (2010), 50(9): 603-607),是同轴型脉管研制中的最高效率。同轴结构微小型低温制冷机非常方便制冷机与低温电子器件的耦合和实用化。因此,中科院理化所和中科力函公司在该领域取得的新成果进一步奠定了中国在微小型低温制冷机研发领域的领先地位,必将进一步推动微小型低温制冷机技术的广泛应用。 

         相关成果发表在美国物理学会创办的期刊AIP Advances上(Xiaotao Wang(王晓涛), Yibing Zhang(张益炳),Haibing Li(李海冰),Wei Dai(戴巍), Shuai Chen(陈帅),Gang Lei(雷纲) and Ercang Luo(罗二仓), A high efficiency hybrid Stirling-pulse t ube cryocooler, AIP Advances 5, 037127 (2015),http://dx.doi.org/10.1063/1.4915900)。 

     

                                        同轴型新型低温制冷机

                                                          工作原理图

                                                           制冷性能曲线图

  • 77K低温制冷机

         77K低温制冷机

         深圳中科力函低温技术有限公司是目前国内唯一以企业运作,建立了77K低温制冷机生产线,具备商业化生产低温制冷机的公司。 依托中科院理化所的技术,目前主要从事低温制冷机的研究,生产制造和销售。

    自从人类首次用乙醚蒸发的方法获得制冷效果以来,制冷与低温技术获得了非常快速的发展,特别是近年来随着科学技术的飞速发展,低温技术的研究和应用异常活跃,可以说低温技术已经渗入到了军事、能源、环境、运输、医疗、工农业等很多领域,成为推动社会发展不可缺少的支柱力量。与此同时,低温技术的应用也反过来对低温技术提出了新的挑战,更长的使用寿命、更低的机械振动、更小的电磁干扰、更紧凑的系统体积、高的制冷效率等已经成为低温制冷机技术发展的新要求。

         通常所说的低温制冷机是指制冷温度在120K以下的制冷机。目前采用固体物质为工质的制冷技术诸如热电制冷、热离子制冷、光制冷等技术都还不能独立达到低温温区,低温温度大多数是通过气体压缩膨胀循环获得的。按照工作气体的循环方式可以将低温制冷机分为间壁换热式(recuperative)制冷机和回热式 (regenerative)制冷机。间壁换热式是指在循环中只采用间壁式换热来回热,即在在循环中连续流动的正流热气体与逆流冷气体通过两个由固体壁面分隔的不同流道进行换热。目前使用比较广泛的间壁换热式制冷机主要有采用焦耳—汤姆森循环的节流制冷机和采用布莱顿循环的透平膨胀制冷机。回热式则是指交变流动的冷热振荡流体分别在制冷循环的前半周期和后半周期内在同一个换热器中与高效的回热填料进行换热。很显然,回热式制冷机可以使换热器更加高效,更加容易加工。目前应用比较广泛的回热式制冷机主要有G-M制冷机,斯特林制冷机和脉冲管制冷机。在这些制冷机中,节流制冷机和G-M制冷机循环存在不可逆性,因此效率往往较低;透平膨胀制冷机和斯特林制冷机由于加工难度大,寿命难以提高,使用受到限制;脉冲管制冷机除了室温端的压缩机外没有任何运动部件,近年来受到了研究者的广泛关注,特别是其中的Stirtling型脉冲管制冷机,由于消除了旋转阀,效率较高,发展非常迅猛,是近期研究的热点,也是本文主要研究的内容。

         传统的脉冲管制冷机虽然消除了低温下的运动部件,但是其室温端的机械式压缩机仍然存在运动部件,其可靠性问题仍然没有得到彻底的解决。热声发动机的出现为这一问题提供了一种解决方案。热声发动机是一种利用管件和换热器在其内部获得合适的声场,并通过工作介质和存在温度梯度的回热器(或者板叠)之间的相互作用将热能转化为机械能的装置,其中的机械能主要以声波的形式储存在工作介质中。由于热声发动机仅由管件和换热器构成,没有任何运动部件,是一种寿命长久的压力波发生器,特别是Stirling型热声发动机(也叫行波热声发动机),由于其采用的是可逆的斯特林循环,其理论热效率等于卡诺效率,因此具有非常好的发展前景。用行波热声发动机产生的压力波驱动脉冲管制冷机就构成了一种新型的没有任何运动部件的低温制冷机。

  • 中科力函kW级大功率脉冲管低温制冷机研发成功

         中科力函kW级大功率脉冲管低温制冷机研发成功

         在国家自然科学基金委、科技部“973”项目等支持下,由中国科学院理化技术研究所热声课题组罗二仓研究团队以及中科力函(深圳)热声技术有限责任公司联合研发的技术取得新进展,相关文章发表在国际低温刊物Cryogenics上 (J.Y.Hu, L.M.Zhang, J.Zhu, et al., A high-efficiency coaxial pulse tube cryocooler with 500W cooling capacity at 80K, Cryogenics, 2014, Online available)。 

         中科力函成功研发kW级大功率脉冲管低温制冷机,该大功率脉冲管低温制冷机采用自主研发的10kW级往复直线压缩机驱动一个结构紧凑的同轴型kW级制冷量低温脉冲管制冷机,在120K可以达到1200W以上的制冷量,在77K可以达到600W以上制冷量。在77K获得500W以上时的相对卡诺效率为19%,在120K获得1000W级制冷量时的相对卡诺效率则超过了20%。 

         目前,包括美国、德国、法国、日本以及中国等许多国家在内的著名研究机构和企业都竞相开展了大功率脉冲管制冷机的研究,但仅有美国的Praxair公司与CFIC公司合作研制出在77K超过500W制冷量的大功率脉冲管低温热声制冷机,其相对卡诺效率在kW级时为14%左右,中科力函研制的大功率脉冲管低温制冷机比美国的效率高出30%,是目前报道的最高效率的大功率脉冲管热声低温制冷机。 

        该制冷机是在我公司在前期研制出国际上最高效率小功率脉冲管低温热声制冷机(J.Y.Hu*, W.Dai,E.C.Luo,et al, Development of high efficiency Stirling-type pulse tube cryocoolers, Cryogenics(2010),50(9):603-607)的基础上,提出了解决大尺度回热器和脉管不均匀流动和传热损失的新方案,并以自主创新研制的大功率气浮支撑直线压缩机与脉冲管制冷热力学和动力学的优化匹配为基础,从而在该大功率脉冲管制冷热力特性研究方面取得了重要进展和突破。 

        该大功率脉冲管低温制冷机在天然气液化(小型天然气液化、LNG加气站BOG气体再冷凝)、高温超导强电冷却(高温超导限流器、超导储能、超导变压器冷却等)以及小型液氮机等领域具有广泛应用前景。小功率制冷机已由我公司实现产业化,在高温超导滤波器、高温超导SQUID、鍺探测器、红外气体分析仪上获得应用。

                          500W@77K大功率脉冲管低温制冷机TC5580

     

                        10W@77K小功率脉冲管低温制冷机TC4187/TC4177

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