液氦溫區小型節流制冷機發展現狀及趨勢

周振君 王 娟 梁驚濤

(1中國科學院理化技術研究所空間功熱轉換技術重點實驗室 北京 100190)

(2中國科學院研究生院 北京 100190)

1 引言

低溫技術的含義是指用各種獲得低溫的方法使氣體液化或者使某一物體或空間達到并維持所需要的溫度，所涉及的溫度領域一般在120 K以下(0.3 K以下稱為超低溫領域)，廣泛應用于工農業生產、國防建設、生物、信息等領域［1-2］。

利用實際氣體的焦耳-湯姆遜效應的節流制冷技術是低溫制冷技術中發展最早、應用最早的一種成熟的制冷技術之一，早在19世紀末工業界就開始應用節流技術來進行氣體液化。現在，由于節流制冷技術易于微型化、結構簡單、在低溫端無運動部件、運行可靠等優點，因而被航空航天、軍工用來作為紅外探測元件和導彈制導裝置的冷源，還經常應用于某些制冷系統的最后一級［3］。

2 節流膨脹原理及節流制冷器

英國科學家Joule和Thomson在19世紀50年代首先研究了氣體從高壓等焓膨脹到低壓從而導致溫度降低的現象。氣體在高壓下流經管道中的小孔使壓力顯著降低的過程稱為節流。當氣體在管路中遇到縮口或調節閥門時，由于局部阻力將使其壓力顯著下降，而此時氣體來不及與外界進行熱交換，此過程即為絕熱節流。氣體節流前后的能量保持不變，即節流前后焓相等。理想氣體的焓只是溫度的函數，因此理想氣體在節流前后的溫度不變。但對于實際氣體來說，等焓節流前后溫度將發生較大的變化，即焦耳-湯姆遜效應［2，4］。

2.1 微分節流效應和積分節流效應

J-T節流效應分為微分節流效應和積分節流效應。氣體節流時溫度變化和壓力的降低成一定的比例，即 μ=()，其中:μ 為微分節流效應，反映HHH了壓力的微小變化所引起的溫度變化趨勢。微分節流系數等于零的曲線為轉化曲線，對應的壓力為零的點為最高轉化溫度點。不同氣體的最高轉化溫度列于表1中，對于最高轉化溫度低于室溫的氣體，必須通過膨脹機或者其它的方法將之預冷到低于最高轉化溫度的溫度，通過節流才能降溫［4］。

表1 不同氣體的最高轉化溫度Table 1 Top transition temperature of different gas

積分節流效應是指氣體在某一壓降的范圍內，節流所產生的溫度變化，可由下式計算:ΔT=T2-T1。式中:T1和T2分別為節流前后的溫度;p1和p2分別為氣體節流前后的壓力，為在某一壓降范圍內μH的平均值。當工質節流前的初始狀態和終了狀態都處在轉化曲線μH＞0區域內時，積分節流效應為正值，節流后工質的溫度降低;當工質節流前的初始狀態和終了狀態都處在轉化曲線μH＜0區域內時，積分節流效應為負值，節流后工質的溫度升高［4］。

2.2 節流制冷器

2.2.1 微型節流器的結構

節流級換熱器、節流器件、蒸發器及各部分之間的連接管組成的系統叫做節流制冷器。在J-T節流制冷器中，高壓氣體通過節流閥等焓膨脹到低壓，使流體的溫度得以降低產生制冷效應［2，4］。節流制冷器主要由節流裝置和熱交換器兩部分結構組成。

(1)節流裝置。節流裝置在微型冷卻器中的作用是降壓獲取低溫，完成循環中的節流過程。節流元件通常是微孔，多孔粉末冶金片、毛細管以及在工作過程中可全部或部分自動改變孔徑的小孔。

(2)熱交換器。熱交換器的作用是完成高壓正流氣體與低壓返流冷氣體及預冷卻工質間的換熱，達到冷卻高壓正流氣體，回收返流氣體冷量的目的。

2.2.2 單級節流制冷系統

單級節流制冷器原理示意圖如圖1所示。高壓氣瓶內儲存的制冷工質被等溫壓縮進氣瓶，如圖1b中0-1所示。制冷時打開閥門，高壓氣體從氣瓶流出進入制冷器，在熱交換器內與回流氣體等壓熱交換后溫度降低至2點，用1-2表示。接著高壓氣體經過節流閥產生制冷后壓力降低即2-3過程，回流的氣體在熱交換器與高溫氣體熱交換溫度升高，理想狀態下溫度可回到T0，即5-0過程。

3 液氦溫區小型制冷機發展現狀

為了減少微型制冷系統的制冷時間，常采用帶有預冷級的節流制冷器。通過預冷級的預冷，使工質在進入節流級前的溫度更低，從而使得節流后的溫度達到工作器件所需要的工作溫度，縮短啟動時間［5］。目前各國所采用的帶J-T節流循環的低溫制冷系統均有預冷級。首先分析當前國外正在研制的低于10 K溫區的各種制冷機的性能、進展及有關情況。

圖1 單級開式/閉式節流制冷器原理圖Fig.1 Single stage open-close throttling cryocoolers

3.1 2級25 K斯特林預冷J-T制冷機

圖2 是1991年前后RAL與ESA合作2級25 K斯特林預冷的J-T節流循環制冷機，以氦作為制冷工質，制冷溫度為4 K。兩臺壓縮機采用線性布置以抵消震動，壓比可達到 11，質量流量 3 mg/s［6］。

圖2 RAL與ESA合作研制的4 K制冷機Fig.2 RAL＆ESA 4 K cryocooler

高壓氣體在套管式熱交換器的內管流動，回流冷氣在外管內流動同時與高壓氣體換熱使其溫度降低。最低溫度達到4.05 K。在4.2 K時有1.5 mW的制冷量，預冷級的輸入功率低于70 W，J-T壓縮機消耗59 W(總輸功率低于130 W)。J-T循環中加入純化器以去除雜質氣體。

3.2 閉式4 K J-T循環制冷機

閉式4 K J-T循環制冷機的設計和開發是歐洲航天局超遠紅外太空望遠鏡和PLANCK的發射任務之一，這里提到的4 K節流制冷機項目啟動于1995年如圖3所示。其設計性能要求為＞9 mW@4.2 K，在布置上要求預冷級/冷級與J-T壓縮機之間的距離為2 m，制冷機在3個方向上要分別容許±7.5 mm的位移［7］。4 K制冷機模型整體包括以下幾個主要部件:2級20 K斯特林預冷級;J-T熱交換器;兩臺J-T壓縮機;支撐結構;其它，如控制閥，氣體凈化器和過濾器。

圖3 ESA FIRST/PLANCK 4 K制冷機Fig.3 ESA FIRST/PLANCK 4 K cryocooler

在J-T閥膨脹之前，高壓氦氣通過安裝于輔助設備面板上的氣體過濾器，然后再通過熱交換器，熱交換器經預冷級預冷后進出口溫度分別為150 K和20 K。150 K與20 K之間及20 K與4 K之間的熱交換器包括一米長的盤管，高壓氣體在小孔徑管道流通，回流冷氣在較大孔徑管中流通。另外在J-T循環中有一旁通管路來增加高溫氣體流量以加速冷卻。高壓和低壓J-T壓縮機作為一平衡對安裝于支撐結構里面。

3.3 10 K 制冷機

Ball公司與美國空軍實驗室2000年前后合作開發的高性能、高效率、長壽命應用于超長波紅外設備的10 K空間制冷系統工質為4He，它由15 K斯特林預冷機與J-T節流循環組成，制冷溫度為10 K，制冷量為100 mW［8］。節流裝置采用了具有防堵塞功能的J-T節流閥和簡易套管式熱交換器，如圖4和圖5所示。熱交換器是與預冷級的設計密切聯系在一起的，此系統可以配備一臺小型預冷級和高效率熱交換器，或者配一個合適的熱交換器和較大的預冷級。在這個制冷系統中有4個熱交換器，其整體效率超過99%。

圖4 簡易套管式熱交換器Fig.4 Simple tube-in-tube Cooler heat exchanger

3.4 ACTDP 制冷機

針對深空探測等需求，2002年美國國家航空航天局啟動了先進制冷機技術開發項目(ACTDP)，這個項目主要在已經成功開發的斯特林，脈沖管及布雷頓技術的基礎上制造6 K/18 K兩級制冷機［9］。4家公司與NASA簽署協議分別制造所需制冷機。每臺制冷機要求能在6 K/18 K分別提供7.5—40 mW/100—200 mW的制冷量。其中采用節流技術的有以下幾種方案。

圖5 防堵塞J-T節流閥Fig.5 Cooler J-T valve，which has sophisticated anti-plugging features

Ball公司制冷機:Ball公司制冷機利用三級斯特林制冷機預冷線性壓縮機驅動的J-T節流循環。壓縮機與低溫熱載距離為3 m，使低溫工作部件(探測器等)免受壓縮機產生的震動及電磁干擾影響，節流循環可以提供6 K/18 K遠程冷量。整個制冷系統總重量為27 kg，輸入功率大約150 W。三級預冷節流方案能夠為離壓縮機20 m外的低溫設備提供冷量。預冷后溫度為15 K，節流后制冷溫度為4—6 K/18 K，設計性能為電機功率125 W，30 mW@6 K，20 mW@4 K，150 mW@18 K，實際測試性能為35 mW@6 K，21 mW@5 K，12 mW@4 K［10］。其方案布置圖如圖6所示。

TRW公司制冷機:TRW公司制冷機采用三級脈沖管制冷機預冷線性壓縮機驅動的J-T節流方案，如圖7所示。熱載與壓縮機分開一定的距離，使低溫工作部件(探測器等)免受壓縮機產生的震動及電磁干擾影響，節流循環可以提供6 K/18 K兩個溫區的遠程冷量。制冷系統總質量約為17 kg，輸入功率大約207 W，但需要85 K提供2 W的輻射制冷器的幫助。

最終TRW的制冷機被選中用于MIRI。MIRI以后的發展將致力于提高制冷量及效率，并要實現2 K的低溫。住友重工已經研制出10 mW@1.7 K的制冷機并將用于冷卻SPICA設備［11］。

圖7 TRW制冷機Fig.7 TRW cryocooler

3.5 SPICA節流制冷機

SPICA是日本宇宙航空研究開發機構和美國國家航空航天局、歐洲太空總署的合作項目，它將取代AKARI［12］紅外望遠鏡，成為新一代的中遠紅外波段望遠鏡。SPICA將和以近中紅外波段為主要觀測區間的詹姆斯-韋伯太空望遠鏡(JWST)在紅外太空觀測項目中形成互補之勢［5，13］。SPICA計劃在2009年仍然處于會議討論階段［8］。預計SPICA將在2017年由日本H-2A運載火箭發射升空，并與JWST一樣放置于地球背向太陽的后面150萬千米的第二拉格朗日點［11］。

SPICA上的制冷系統有兩臺獨立的J-T機械制冷機，工質分別為3He和4He，它們由20 K斯特林制冷機預冷。4He節流循環制冷溫度為4.5 K，設計熱負荷為28 mW，實驗所測得的制冷機性能為50 mW@4.4 K，壓縮機輸入功率145 W。3He節流循環制冷溫度為1.7 K，設計熱負荷為5 mW，實驗所測得的制冷機性能為 16 mW@1.7 K［14］，壓縮機輸入功率166 W。

4 液氦溫區小型節流制冷機的發展趨勢

(1)向大冷量及多工作溫區發展。隨著紅外焦平面向長線列、大面陣發展，要求的制冷量越來越大，而且也需要同時冷卻鏡頭、濾光片等光學器件以減少干擾。

(2)向微型化、低功耗發展。微型化、輕量化可以有效降低低溫制冷機總重量，減少壓縮機輸入功耗。

(3)向超長壽命、超可靠性發展。近年來特別是受導彈防御計劃的牽引，液氦溫區小型節流制冷機的壽命趨近于十年甚至更高。脈沖管、斯特林等預冷的節流制冷具有本征壽命長、具有高可靠性的制冷技術將得到進一步發展。

(4)向極低溫發展。機械制冷溫度將逐漸趨近液氦溫度，將來不需要再攜帶液氦上天，從而突破液氦蒸發帶來的壽命限制，并大大減輕體積重量成本。如何進一步提高效率，減少功耗，減少振動干擾將是研究的重點。

5 總結

節流制冷機以其結構簡單、無運動部件等優點，在航天科技，軍事領域中的優勢日益突顯，脈沖管制冷技術也具有在低溫下沒有運動部件等優點，因此，與其它制冷方式相比，將脈沖管與節流器耦合制冷技術具有明顯的優勢，也正越來越受到更多國家和地區的重視。國內研究可以借鑒國外相對成熟的低溫節流制冷技術，如TRW公司的三級脈沖管制冷機預冷線性壓縮機驅動的J-T節流方案為研究提供經驗。在借鑒國外已有制冷方案的同時密切結合國內的應用發展需要，相信中國在液氦溫區小型節流制冷技術方面會很快走進世界先進行列。

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3 陳國邦，湯 珂.小型低溫制冷機原理［M］.北京:科學出版社，2010，328-354.

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6 陳曉屏.微型低溫制冷技術的現狀和發展趨勢［J］.紅外與激光工程，2008，37(1):50-54.

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12 Takao Nakagawa，Keigo Enya，Masayuki Hirabayashi，et al.Flight Performance of the AKARICryogenic System［M］.Publications of the Astronomical Society of Japan，2007.

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