空間吸附制冷技術的研究進展

王兆利 李亞麗 羅寶軍 洪國同

(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 100049)

空間吸附制冷技術的研究進展

王兆利1，2李亞麗1羅寶軍1洪國同1

(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 100049)

吸附制冷機具有工作壽命長、無運動部件、不會產生振動、可靠性較高、無電磁干擾的特點，是未來空間制冷技術中最重要的制冷技術之一。介紹了美國和歐洲空間吸附式制冷技術的發(fā)展和研究熱點，結合中國深空探測對低溫制冷技術的需求提出了發(fā)展空間吸附制冷技術的建議。

吸附制冷機 深空探測 研究進展

1 引言

隨著中國衛(wèi)星技術的發(fā)展對高可靠、長壽命制冷技術的需求日益增長，吸附制冷機由于沒有任何損耗部件很容易滿足高可靠、長壽命的要求。吸附制冷機采用吸附床代替?zhèn)鹘y(tǒng)的機械壓縮機，主要由吸附床、熱交換器、節(jié)流裝置、管道、閥門、加熱冷卻裝置和熱開關組成。吸附床對制冷工質的吸附為物理或化學吸附方式，當吸附床加熱時，制冷工質解吸，壓力升高，經換熱器冷卻后降溫，節(jié)流或減壓蒸發(fā)產生制冷效應，成為低壓氣/液混合物，液體吸收外部熱量后蒸發(fā)，低壓氣體回到吸附床被吸附，即完成一個制冷循環(huán)。低溫吸附制冷機具有工作壽命長、無運動部件、不會產生振動、可靠性較高、無電磁干擾的特點，其制冷溫度可以涵蓋幾百mK至室溫附近的寬溫區(qū)，具體的工作溫度取決于工質氣體種類，吸附床可遠離冷端方便布置［1-3］。吸附式制冷自身的特點決定其是未來空間制冷技術中最重要的制冷技術之一。20世紀80年代末出現的吸附式制冷在國際宇航界引起了廣泛的重視。目前美國、歐洲都資助了相關研究項目，并取得了一些應用。

2 國外研究進展

2.1 1 W/20 K氫吸附制冷機［4-7］

2009年5月14日，歐洲宇航局在法屬圭亞那庫魯航天中心，借助阿麗亞娜5-ECA型火箭成功發(fā)射了Planck衛(wèi)星，Planck衛(wèi)星將在最高分辨率上觀測遠紅外光譜，考察137億年前宇宙大爆炸后瞬間充滿宇宙的輻射殘余宇宙微波背景輻射，回答人類最關心的問題，宇宙是如何起源和演變的。為了完成這一任務，Planck衛(wèi)星攜帶了1.5 m口徑的望遠鏡，望遠鏡能利用安放在艙內名為“低頻儀器”和“高頻儀器”的高靈敏度傳感器收集宇宙微波背景輻射，瞬息敏感度比宇宙背景探測器高10多倍。為了能準確測量微波背景輻射的溫度，探測器必須冷卻到接近絕對零度。Planck衛(wèi)星的低溫系統(tǒng)，包括一臺60 K輻射制冷器，一臺20 K氫吸附式制冷機，一臺4 K J-T制冷機和一臺100 mK稀釋制冷機。

20 K氫吸附低溫制冷機由美國著名的JPL實驗室研制。其采用6組金屬氫化物吸附床和低壓氣體貯存器組成，每個吸附床都通過氣隙式熱開關控制與輻射散熱器之間的熱連接的導通與斷開。當吸附床加熱到450 K時，氫氣從吸附床脫附產生高壓氫氣，通過逆流換熱器冷卻至60 K后在減壓降溫裝置中冷卻至18 K，并提供冷量。氫氣冷凝后再通過逆流換熱器升溫至270 K，在吸附床中被吸附，完成制冷循環(huán)。該吸附制冷機在20 K可提供1 W的制冷量。總功耗370 W，采用分組吸附床工作方式，可以連續(xù)提供制冷量。圖1和圖2分別為20 K氫吸附制冷機的結構示意圖和原理示意圖。

2.2 10 mW/5K氦吸附制冷機［8-9］

擬定于2014年發(fā)射的Darwin衛(wèi)星的目的是尋找類地行星和對類地行星的大氣以及生命化學痕跡進行光譜分析。飛行編隊由5個太空探測器，其中4個太空探測器攜帶3—4 m級望遠鏡，在一個50—500 m基線上進行紅外干涉測量，要求在中紅外波段高分辨率成像。望遠鏡和焦距平面?zhèn)鞲衅餍枰焕鋮s到4—10 K，在比較了超流氦杜瓦，固氫制冷，J-T制冷，逆布雷頓制冷，磁制冷和吸附制冷后選定吸附制冷做為獲得4—10 K的制冷級，最后采用輻射制冷器，氫氣/活性炭，氦氣/活性炭吸附制冷的復合制冷技術方案，先用70 K和50 K輻射制冷器進行預冷，再用氫氣/活性炭吸附制冷冷卻到14.5 K最后再用氦氣/活性炭吸附制冷冷卻到5 K，溫度在5 K時有10 mW的制冷量。圖3為10 mW/5 K吸附制冷機系統(tǒng)示意圖。

圖1 20 K氫吸附制冷機Fig.1 View of 20 K sorption cooler

圖2 20 K氫吸附制冷機原理示意圖Fig.2 Sorption cooler principle of operation

2.3 10 μW/300 mK 吸附制冷機［10-13］

圖3 10 mW/5 K吸附制冷機系統(tǒng)示意圖Fig.3 Schematic picture of 10 mW/5 K sorption cooler

2009年5月14日Herschel空間望遠鏡發(fā)射升空。Herschel空間望遠鏡觀測波段為紅外線，研究星系的誕生與星際物質之間的相互作用情況，觀測宇宙天體的大氣成分以及表面化學組成。圖4為搭載在Herschel衛(wèi)星上由法國原子能總署低溫部(CEASBT)研制的氦3極低溫吸附制冷機。預冷溫度為1.8 K，制冷溫度為300 mK。圖5為該吸附制冷機工作過程示意圖，該制冷機屬于間歇制冷，是極低溫下普遍采用的類型。圖A中吸附床與熱沉(熱沉溫度為1.8 K)之間的熱開關斷開，蒸發(fā)器與熱沉之間的熱開關閉合，吸附床被加熱，吸附質被冷凝為液體并積聚在蒸發(fā)器內;圖B中吸附床與熱沉之間的熱開關閉合，蒸發(fā)器與熱沉之間的熱開關斷開吸附床被冷卻，吸附質被吸附，蒸發(fā)器壓力降低，溫度降低。圖C中熱開關狀態(tài)與圖B相同，此時蒸發(fā)器內壓力達到最低值，該壓力下的飽和溫度為制冷機的制冷溫度，蒸發(fā)器內剩余液體的蒸發(fā)潛熱為制冷量。

圖4 氦3極低溫吸附制冷機Fig.4 3He sorption cryocooler

圖5 吸附制冷機工作過程示意圖Fig.5 Steps of cooling operation

極低溫吸附制冷技術中吸附床替代了機械壓縮機，吸附床工作在低溫下，實現低溫壓縮，減少了損失，縮小了體積。在有預冷的條件下，吸附制冷可以作為一個緊湊的制冷末極，獲得更低的溫度。2.4 200 mW/165 K及10 mW/96 K微型吸附制冷機［14］

微型吸附制冷技術是未來空間用制冷技術中極具潛力的一種，目前歐洲Twente大學已經針對微型吸附制冷技術進行比較深入的研究，已經研制出了直徑1 cm，長度10 cm的吸附床，其余部件采用MEMS技術加工的吸附制冷機實現了200 mW/165 K的目標，圖6為微型吸附床結構圖，未來將進一步縮小吸附床體積至直徑 5 mm，長度 5 cm。此外，荷蘭Twente大學正在研制一臺液氮溫區(qū)的微型吸附制冷機10 mW/96 K工質氣體為氮氣，吸附劑為活性炭，該制冷機低溫端部分，尺寸為30 mm×2 mm×0.5 mm。

3 總結和建議

吸附式制冷機是空間用低溫制冷機的重要組成部分，其研究重點主要集中在以下幾個方面:

(1)高性能吸附劑的研究

吸附制冷作為一種無任何損耗部件的制冷技術，其制冷效率很大程度取決于吸附劑的特征，過去活性炭的比表面積只能到達1 000 m2/g，隨著材料科學的發(fā)展，現在活性炭的比表面積已經達到3 000 m2/g甚至更高，制冷效率大幅提高，在深低溫區(qū)制冷效率甚至優(yōu)于機械式制冷。

(2)部件性能的改進

圖6 微型吸附床Fig.6 Micro sorption bed

單向閥、熱開關和節(jié)流閥是吸附式制冷系統(tǒng)重要的部件。單向閥使用壽命是一個關鍵問題，經過專門選購的閥門可滿足長壽命的需求，節(jié)流閥是整個制冷系統(tǒng)的薄弱環(huán)節(jié)，小孔節(jié)流閥結構最簡單但抗堵性能差。現在多采用金屬粉末燒結材料做節(jié)流閥，實驗結果表明性能可靠、穩(wěn)定，且不易堵塞，原因是這種多孔材料提供了無數多的并行通道。低溫吸附制冷機常用的部件是熱開關，現在主要發(fā)展的是氣隙式熱開關。

(3)吸附床效率的提高

吸附制冷機的核心是吸附床，其性能提高手段主要是傳熱傳質強化。傳熱強化主要包括擴展換熱面積、提高傳熱系數，傳質強化則主要采用減小傳質制路徑的技術手段。對活性炭等吸附材料可以通過吸附劑材料壓縮固化的辦法提高其導熱系數。對金屬吸氫材料其導熱系數往往要比活性炭等吸附劑高得多，導熱問題相對不是主要問題。

(4)提高整機的熱效率

基本的吸附式制冷是間歇型的，要實現連續(xù)制冷可采用兩臺或兩臺以上的吸附床交替運行。要提高制冷機效率可對吸附床進行回熱循環(huán)，在吸附床加熱過程中的熱量進行再利用，將待冷卻的吸附床和待加熱的吸附床通過熱開關連接起來，利用前者冷卻后者，后者加熱前者的方式減少前者的加熱量和后者向環(huán)境的放熱量，從而顯著提高吸附制冷機的效率。此外多級吸附床可獲得比單級吸附床更高的壓力，可以減小吸附床內死體積，從而提高吸附制冷機的效率。

目前吸附式制冷機正朝著多床多級、小型化、微型化的方向發(fā)展。中國吸附制冷技術的研究主要集中在常溫區(qū)太陽能或余熱利用領域，由于應用對象不同，空間吸附式制冷和常溫吸附式制冷在制冷結構，吸附劑，工質氣體，加熱方式，放熱方式和傳熱方式等方面幾乎完全不同。吸附式制冷機可滿足空間制冷技術對高可靠性、長壽命、無干擾的要求，開展對空間吸附制冷技術的研究將有重要的科學價值和實用價值。

1 朱建炳.空間深空探測低溫制冷技術的發(fā)展［J］.航天返回與遙感，2010，31(6);39-45.

2 陳國邦.最新低溫制冷技術［M］.北京:機械工業(yè)出版社，2003.

3 王如竹，王麗偉，吳靜怡.吸附式制冷理論與應用［M］.北京:科學出版社，2007.

4 王如竹，吳靜怡.吸附式制冷［M］.北京:機械工業(yè)出版社，2001.

5 Paine C，Bowman R，Pearson D，et al.PLANCK sorption cooler Initial compressor element performance tests［J］.Cryocoolers 11，2002:531-540.

6 Zhang B，Pearson D，Borders J，et al.Cryogenic testing of planck sorption cooler test facility［J］.Cryocoolers 13，2005:523-531.

7 Bowman R C.Development of metal hydride beds for sorption cryocoolers in space applications［J］.Journal of Alloys and Compounds，2003，356-357:789-793.

8 Borders J，Prina M，Pearson D，et al.Optimized autonomous operations of a 20 K space hydrogen sorption cryocooler［J］.Cryogenics，2004，44:565-573.

9 Burger J F，Brake ter H J M，Rogalla H，et al.Vibration-free 5K sorption cooler for ESA＇s Darwin mission［J］.Cryogenics，2002，42:97-108.

10 Lau J，Benna M，Devlin M，et al.Experimental tests and modeling of the optimal orifice size for a closed cycle 4He sorption refrigerator［J］.Cryogenics，2006，46:809-814.

11 Duband L，Clerc L，Guillemet，et al.HERSCHEL sorption cooler qualification models［J］.Cryocoolers 13，2005:543-551.

12 Luchier N，Duval J M，Duband L，et al.50mK cooling solution with an ADR precooled by a sorption cooler［J］.Cryogenics，2010，50:591-596.

13 Luchier N，Duval J M，Duband L，et al.Performances of the 50mK ADR sorption cooler［J］.Cryogenics，52(4-6):152-157.

14 Bhatia R S，Chase S T，Jones W C，et al.Closed cycle cooling of infrared detectors to 250 mK［J］.Cryogenics，2002，42:113-122.

15 Burger J F.Cryogenic microcooling-a micromachined cold stage operating with a sorption compressor in a vapor compression cycle［D］.Thesis:University of Twente，2001.

Research and development of space sorption cryocooler

Wang Zhaoli1，2Li Yali1Luo Baojun1Hong Guotong1

(1Key Laboratory of Space Energy Conversion Technologies，Technical Institute of Physics and Chemistry，
Chinese Aeademy of Sciences，Beijing 100190，China)
(2Graduate University of Chinese Academy of Sciences，Beijing 100190，China)

Sorption cooler is one of the most important space cryogenic refrigeration technology for space applications in future.The development status of sorption coolers in America and Europe was reviewed and some suggestions were put forward for developing sorption cooler research to meet deep space exploration’s requirements in China.

sorption cryocooler;deep space exploration;development

TB661

A

1000-6516(2012)06-0057-05

2012-09-20;

2012-12-05

王兆利，男，24歲，碩士研究生。