液氫溫區直接節流JT制冷機降溫實驗

申運偉，劉東立，劉 磊，邱長煦，耑 銳，甘智華

（1.浙大城市學院低溫中心，杭州 310015；2.浙江大學制冷與低溫研究所 浙江省制冷與低溫技術重點實驗室，杭州 310027；3.西湖大學工學院 浙江省3D微納加工和表征研究重點實驗室，杭州 310024；4.上海宇航系統工程研究所，上海 201109）

0 引言

長期空間探索任務的關鍵技術之一是低溫推進劑的長期在軌貯存[1]。以液氫為燃料的空間推進器比沖高，可增加空間發射任務有效載荷[2]。為了減少液氫蒸發損失，結合被動絕熱技術和主動冷卻技術的液氫零蒸發（Zero Boil-Off，ZBO）技術應運而生。其中，液氫溫區高效低溫制冷機是主動冷卻技術的重要組成部分之一[3-4]。當前，具有空間應用潛力的低溫制冷機類型主要有斯特林制冷機、脈管制冷機、斯特林/脈管復合制冷機、逆布雷頓制冷機和JT（Joule-Thomson）制冷機等。斯特林制冷機、脈管制冷機和斯特林/脈管復合制冷機等回熱式制冷機由于制冷工質（氦氣）低溫下偏離理想氣體和回熱填料比熱容降低，在深低溫時的回熱損失急劇增大，導致制冷效率隨著制冷溫度的降低而顯著降低。因此，空間用回熱式制冷機主要工作在20 K以上溫區。另外，回熱式制冷機冷卻液氫貯箱時需要配置氣體冷卻回路[5]，導致系統復雜、靈活性低。逆布雷頓制冷機具有在液氫溫區實現大冷量制冷的潛力，但低溫下高速旋轉的透平機械對加工精度和材料性能有很高的要求。另外，逆布雷頓制冷機一般利用工質顯熱制冷，熱負荷變化時制冷溫度無法保持穩定。因此，目前國內外僅哈勃望遠鏡上一臺8 W@65 K逆布雷頓制冷機實現了空間應用[6]。JT制冷機系統簡單可靠，冷端無運動部件，已成為空間深低溫制冷的主流技術[7-9]，有潛力滿足液氫溫區空間ZBO技術的應用要求。

為滿足Planck衛星的冷量需求，在歐洲空間局（European Space Agency，ESA）支持下美國噴氣推進實驗室（Jet Propulsion Laboratory，JPL）研制了吸附式壓縮機驅動的液氫溫區JT制冷機[10]。JT制冷機采用三級被動（輻射屏）預冷，第三級預冷溫度為50 K左右。2008年，進行了性能測試實驗，輸入功率301 W時可在17.1 K提供1.125 W制冷量，相對卡諾效率為6.1%。該制冷機搭載在Planck衛星（2009年5月發射升空）上，冷卻低頻部件的同時為液氦溫區JT制冷機提供預冷[11]。

為預冷達爾文（Darwin）項目中液氦溫區JT制冷機，在ESA支持下荷蘭特溫特大學研制出吸附式壓縮機驅動的液氫溫區JT制冷機實驗樣機[12]。樣機采用兩級氫吸附式壓縮機與90 K輻射冷卻屏熱耦合以減少外部漏熱，預冷溫度為50 K，輸入功率5.6 W時該制冷機可在14.5 K提供0.04 W制冷量。

目前實現空間應用的JT制冷機在液氫溫區僅可提供瓦級冷量，無法滿足液氫長期在軌ZBO技術對大冷量（10 W以上）的需求。本文采用液氫溫區直接節流流程[13]，相比于液氫溫區典型節流流程（預冷后采用間壁式換熱器進一步冷卻高壓工質，設有旁通部件以加速制冷機降溫）[13]，該流程預冷后不存在間壁式換熱器和旁通部件，具有結構簡單緊湊、降溫過程無需旁通等優點。本文采用直接節流流程方案，設計并搭建采用GM（Gifford-Mcmahon）制冷機預冷的液氫溫區直接節流JT制冷機開式系統實驗測試平臺，進行JT制冷機降溫及制冷量測試。

1 實驗系統介紹

1.1 直接節流JT制冷機介紹

圖1為典型JT制冷機原理圖，系統穩態運行時，氫工質的流向如箭頭所示。

圖1 典型JT制冷機原理圖Fig.1 Schematic diagram of the JT cryocooler

氫工質在壓縮機（組）中被壓縮升壓后（1～2）進入間壁式換熱器1的高壓側通道，被低壓側低溫工質冷卻后（2～3）進入預冷換熱器；經外部冷源冷卻后（3～4）進入間壁式換熱器2的高壓側通道被進一步冷卻（4～5）；隨后，高壓工質經節流閥節流（5～6）降壓降溫，形成氣液兩相流；氫工質在冷端換熱器中受熱蒸發后（6～7）經兩級間壁式換熱器的低壓側通道返回壓縮機，完成循環。由于氫的最高轉變溫度（205 K）低于環境溫度（300 K），當節流前工質溫度大于最高轉化溫度時，節流后工質的溫度會上升，導致系統降溫緩慢。因此，典型JT制冷機降溫初期需設置旁通部件以加速降溫。圖1中旁通閥開啟時，預冷后的工質不再流經間壁式換熱器2高壓側和JT閥，而是直接流經旁通閥后冷卻冷端換熱器。圖2為直接節流JT制冷機原理圖，相比典型JT制冷機，直接節流JT制冷機預冷后沒有間壁式換熱器和旁通部件，預冷后的工質直接經節流閥進入冷端換熱器，整機流程得到簡化且降溫過程無需旁通。

1.2 實驗裝置

基于圖2所示直接節流JT制冷機原理圖，給出開式預冷型液氫溫區直接節流JT制冷機實驗測試裝置示意圖，如圖3所示。高壓氫氣鋼瓶提供氫氣（99.999%）。為獲得充足的預冷量，采用兩級GM制冷機作為預冷機（實驗時僅利用其第二級冷量）。溫度計的位置用1～12數字在圖3中標注。如圖3右側所示，節流制冷單元主要包括預冷換熱器、JT閥和冷端換熱器。按照工質流向，在各個狀態節點上用3、4、5、6和11標注，其溫度依次由銠鐵溫度計3、4、5、6和11測得。參考液氦溫區JT制冷機實驗樣機方案[14-15]，節流制冷單元單獨放置于銅制冷卻屏內，冷卻屏由GM制冷機二級冷頭冷卻。預冷型JT制冷機低溫部分放置于真空室中。JT閥的閥桿延長至真空室法蘭外部，實驗過程中壓力小于5×10-5Pa。

圖2 直接節流JT制冷機原理圖Fig.2 Schematic diagram of the direct throttling JT cryocooler

圖3 JT制冷機開式實驗測試裝置Fig.3 Open-cycle JT cryocooler experimental setup

2 實驗過程及結果分析

預冷型液氫溫區直接節流JT制冷機開式實驗中需對溫度、壓力、流量和制冷量進行測量，各參數不確定度分析見文獻[16]。

2.1 制冷機降溫過程

完成系統管道內部凈化、氣密性檢測及測試系統驗證工作后開展JT制冷機降溫實驗，降溫過程中進排氣閥及JT閥狀態如表1所列。節流制冷單元降溫曲線如圖4所示，分為“僅開啟預冷機”和“JT制冷機充排氣”階段。狀態點3、4、5、6和11的溫度表示為T3、T4、T5、T6和T11。為方便說明，圖中給出了GM制冷機二級冷頭溫度T10變化曲線。

表1 降溫過程中閥門狀態Tab.1 Valve status at cool down process

首先僅開啟GM制冷機（預冷機），由于管路導熱，節流制冷單元溫度逐漸下降，如圖4“僅開啟預冷機”階段所示。大約經過6.5 h，GM制冷機從室溫降至40 K。隨后開啟進氣閥與排氣閥，節流制冷單元開始快速降溫，如圖4“JT制冷機充排氣”階段所示，期間通過JT閥調節系統質量流量。受GM制冷機冷卻和JT閥節流降溫作用的影響，預冷溫度T4和冷端換熱器入口溫度T5快速降低。由于冷端換熱器熱容較大、前期溫度較高，氫工質進入冷端換熱器后被加熱，冷端換熱器出口溫度（制冷溫度）T6上升，由此導致間壁式換熱器低壓側入口溫度上升，進而導致高壓側出口溫度T3上升。T3的上升導致預冷換熱器進口溫度上升，甚至加熱了GM制冷機冷頭，致使其第二級制冷溫度上升。預冷溫度T4隨著GM制冷機二級制冷溫度的上升而上升，進而導致冷端換熱器入口溫度T5上升。冷端換熱器受氫工質冷卻，其溫度T11逐漸降低。當T6溫度曲線上升至與T11重合時，由于工質的持續冷卻作用，T6轉而隨T11降低。T3隨著T6的降低而降低，T3溫度出現小幅波動主要是調節JT閥造成的。T3的持續下降導致T10、T4和T5在上升至一個峰值后降低。JT制冷機降溫結束時，制冷溫度T6穩定在20.8 K。此時JT制冷機高低壓力分別為0.665 MPa和0.111 MPa，質量流量為38.22 mg/s。

圖4 節流制冷單元降溫過程Fig.4 Cool down process of the JT unit

2.2 冷量特性

根據JT制冷機參數優化結果[13]，冷量特性實驗中預冷溫度初步設定為30 K，對應的優化高壓壓力及質量流量分別為0.805 MPa和32.43 mg/s。開式實驗中通過加熱電阻H1的加熱量調節預冷溫度T4，通過調節與高壓鋼瓶相連的減壓閥以維持高壓壓力ph恒定（考慮系統壓降后，冷量特性實驗中高壓壓力實際值比設計值0.805 MPa稍高），低壓壓力pl與環境壓力和系統壓降有關，實驗中穩定在0.1 MPa左右。

制冷機降溫結束后，通過加熱電阻H2向冷端換熱器施加10.19 W加熱量（采用Keithley 2 700數字萬用表測量加熱電流和H2兩端電壓，加熱量不確定度為0.011 W），T4、T5和T6變化如圖 5所示。可以看出，溫度變化經歷了兩個階段：“升溫”階段和“再次降溫”階段，對應的質量流量變化如圖6所示。

圖5 加熱量為10.19 W工況下節流制冷單元溫度變化Fig.5 Temperature behavior of the JT unit when heat load was 10.19 W

圖6 加熱量為10.19 W工況下質量流量變化Fig.6 Mass flow rate behavior when heat load was 10.19 W

JT制冷機無負荷降溫結束后，冷端換熱器處有液氫積累。當熱負荷作用于冷端換熱器時，JT制冷機瞬時制冷量遠小于加熱量，液氫沸騰氣化導致圖6中“升溫”階段質量流量降低，由此導致JT制冷機瞬態的制冷量小于加熱量，T6快速上升。此時，增大JT閥開度質量流量得以暫時上升但隨后繼續降低，反復改變JT閥開度導致該階段質量流量出現波動。“升溫”階段初期，調節H1加熱量使T4上升至30 K（設定值）左右，但由于隨后質量流量降至3 mg/s左右，受預冷機冷卻，T4下降至22 K。隨后通過反復調節H1加熱量和增大質量流量，T4可基本穩定在30 K左右。當T6上升至64 K時，通過調節JT閥開度，質量流量不斷上升。此后，T6逐漸降低直至穩定。實驗“升溫”階段多次增大JT閥開度導致“再次降溫”階段初期質量流量超過設定值（32.43 mg/s），此時需減小JT閥開度以調節質量流量。“再次降溫”階段后期，質量流量逐漸穩定在40.21 mg/s。此時質量流量超過設定值，JT制冷機冷量未被完全利用，冷端換熱器出口帶液。后續實驗中可系統驗證高壓壓力及預冷溫度對JT制冷機冷量的影響。加熱量10.19 W工況下JT制冷機穩定運行時主要熱力學參數如表2所列。

表2 加熱量為10.19 W工況下JT制冷機穩定運行時熱力學參數Tab.2 Thermodynamic parameters of the JT cryocooler at steady condition when heat load was 10.19 W

3 總結

本文采用直接節流流程方案搭建了液氫溫區大冷量直接節流JT制冷機開式實驗樣機，該樣機具備結構簡單緊湊和降溫過程無需旁通等優點。在實驗中，在沒有旁通的條件下實現了室溫至液氫溫區的降溫。通過熱平衡法測得JT制冷機的穩定制冷性能，該制冷機在20.8 K時可提供10.19 W制冷量。