液氦溫區(qū)小型節(jié)流制冷機(jī)發(fā)展現(xiàn)狀及趨勢(shì)

周振君 王 娟 梁驚濤

(1中國科學(xué)院理化技術(shù)研究所空間功熱轉(zhuǎn)換技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 北京 100190)

(2中國科學(xué)院研究生院 北京 100190)

1 引言

低溫技術(shù)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(dá)到并維持所需要的溫度，所涉及的溫度領(lǐng)域一般在120 K以下(0.3 K以下稱為超低溫領(lǐng)域)，廣泛應(yīng)用于工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、國防建設(shè)、生物、信息等領(lǐng)域［1-2］。

利用實(shí)際氣體的焦耳-湯姆遜效應(yīng)的節(jié)流制冷技術(shù)是低溫制冷技術(shù)中發(fā)展最早、應(yīng)用最早的一種成熟的制冷技術(shù)之一，早在19世紀(jì)末工業(yè)界就開始應(yīng)用節(jié)流技術(shù)來進(jìn)行氣體液化?，F(xiàn)在，由于節(jié)流制冷技術(shù)易于微型化、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、在低溫端無運(yùn)動(dòng)部件、運(yùn)行可靠等優(yōu)點(diǎn)，因而被航空航天、軍工用來作為紅外探測(cè)元件和導(dǎo)彈制導(dǎo)裝置的冷源，還經(jīng)常應(yīng)用于某些制冷系統(tǒng)的最后一級(jí)［3］。

2 節(jié)流膨脹原理及節(jié)流制冷器

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

2.1 微分節(jié)流效應(yīng)和積分節(jié)流效應(yīng)

J-T節(jié)流效應(yīng)分為微分節(jié)流效應(yīng)和積分節(jié)流效應(yīng)。氣體節(jié)流時(shí)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(jié)流效應(yīng)，反映HHH了壓力的微小變化所引起的溫度變化趨勢(shì)。微分節(jié)流系數(shù)等于零的曲線為轉(zhuǎn)化曲線，對(duì)應(yīng)的壓力為零的點(diǎn)為最高轉(zhuǎn)化溫度點(diǎn)。不同氣體的最高轉(zhuǎn)化溫度列于表1中，對(duì)于最高轉(zhuǎn)化溫度低于室溫的氣體，必須通過膨脹機(jī)或者其它的方法將之預(yù)冷到低于最高轉(zhuǎn)化溫度的溫度，通過節(jié)流才能降溫［4］。

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

積分節(jié)流效應(yīng)是指氣體在某一壓降的范圍內(nèi)，節(jié)流所產(chǎn)生的溫度變化，可由下式計(jì)算:ΔT=T2-T1。式中:T1和T2分別為節(jié)流前后的溫度;p1和p2分別為氣體節(jié)流前后的壓力，為在某一壓降范圍內(nèi)μH的平均值。當(dāng)工質(zhì)節(jié)流前的初始狀態(tài)和終了狀態(tài)都處在轉(zhuǎn)化曲線μH＞0區(qū)域內(nèi)時(shí)，積分節(jié)流效應(yīng)為正值，節(jié)流后工質(zhì)的溫度降低;當(dāng)工質(zhì)節(jié)流前的初始狀態(tài)和終了狀態(tài)都處在轉(zhuǎn)化曲線μH＜0區(qū)域內(nèi)時(shí)，積分節(jié)流效應(yīng)為負(fù)值，節(jié)流后工質(zhì)的溫度升高［4］。

2.2 節(jié)流制冷器

2.2.1 微型節(jié)流器的結(jié)構(gòu)

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

(1)節(jié)流裝置。節(jié)流裝置在微型冷卻器中的作用是降壓獲取低溫，完成循環(huán)中的節(jié)流過程。節(jié)流元件通常是微孔，多孔粉末冶金片、毛細(xì)管以及在工作過程中可全部或部分自動(dòng)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(yù)冷卻工質(zhì)間的換熱，達(dá)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(jí)節(jié)流制冷系統(tǒng)

單級(jí)節(jié)流制冷器原理示意圖如圖1所示。高壓氣瓶內(nèi)儲(chǔ)存的制冷工質(zhì)被等溫壓縮進(jìn)氣瓶，如圖1b中0-1所示。制冷時(shí)打開閥門，高壓氣體從氣瓶流出進(jìn)入制冷器，在熱交換器內(nèi)與回流氣體等壓熱交換后溫度降低至2點(diǎn)，用1-2表示。接著高壓氣體經(jīng)過節(jié)流閥產(chǎn)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(tài)下溫度可回到T0，即5-0過程。

3 液氦溫區(qū)小型制冷機(jī)發(fā)展現(xiàn)狀

為了減少微型制冷系統(tǒng)的制冷時(shí)間，常采用帶有預(yù)冷級(jí)的節(jié)流制冷器。通過預(yù)冷級(jí)的預(yù)冷，使工質(zhì)在進(jìn)入節(jié)流級(jí)前的溫度更低，從而使得節(jié)流后的溫度達(dá)到工作器件所需要的工作溫度，縮短啟動(dòng)時(shí)間［5］。目前各國所采用的帶J-T節(jié)流循環(huán)的低溫制冷系統(tǒng)均有預(yù)冷級(jí)。首先分析當(dāng)前國外正在研制的低于10 K溫區(qū)的各種制冷機(jī)的性能、進(jìn)展及有關(guān)情況。

圖1 單級(jí)開式/閉式節(jié)流制冷器原理圖Fig.1 Single stage open-close throttling cryocoolers

3.1 2級(jí)25 K斯特林預(yù)冷J-T制冷機(jī)

圖2 是1991年前后RAL與ESA合作2級(jí)25 K斯特林預(yù)冷的J-T節(jié)流循環(huán)制冷機(jī)，以氦作為制冷工質(zhì)，制冷溫度為4 K。兩臺(tái)壓縮機(jī)采用線性布置以抵消震動(dòng)，壓比可達(dá)到 11，質(zhì)量流量 3 mg/s［6］。

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

高壓氣體在套管式熱交換器的內(nèi)管流動(dòng)，回流冷氣在外管內(nèi)流動(dòng)同時(shí)與高壓氣體換熱使其溫度降低。最低溫度達(dá)到4.05 K。在4.2 K時(shí)有1.5 mW的制冷量，預(yù)冷級(jí)的輸入功率低于70 W，J-T壓縮機(jī)消耗59 W(總輸功率低于130 W)。J-T循環(huán)中加入純化器以去除雜質(zhì)氣體。

3.2 閉式4 K J-T循環(huán)制冷機(jī)

閉式4 K J-T循環(huán)制冷機(jī)的設(shè)計(jì)和開發(fā)是歐洲航天局超遠(yuǎn)紅外太空望遠(yuǎn)鏡和PLANCK的發(fā)射任務(wù)之一，這里提到的4 K節(jié)流制冷機(jī)項(xiàng)目啟動(dòng)于1995年如圖3所示。其設(shè)計(jì)性能要求為＞9 mW@4.2 K，在布置上要求預(yù)冷級(jí)/冷級(jí)與J-T壓縮機(jī)之間的距離為2 m，制冷機(jī)在3個(gè)方向上要分別容許±7.5 mm的位移［7］。4 K制冷機(jī)模型整體包括以下幾個(gè)主要部件:2級(jí)20 K斯特林預(yù)冷級(jí);J-T熱交換器;兩臺(tái)J-T壓縮機(jī);支撐結(jié)構(gòu);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(jī)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(shè)備面板上的氣體過濾器，然后再通過熱交換器，熱交換器經(jīng)預(yù)冷級(jí)預(yù)冷后進(jìn)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(huán)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(jī)作為一平衡對(duì)安裝于支撐結(jié)構(gòu)里面。

3.3 10 K 制冷機(jī)

Ball公司與美國空軍實(shí)驗(yàn)室2000年前后合作開發(fā)的高性能、高效率、長壽命應(yīng)用于超長波紅外設(shè)備的10 K空間制冷系統(tǒng)工質(zhì)為4He，它由15 K斯特林預(yù)冷機(jī)與J-T節(jié)流循環(huán)組成，制冷溫度為10 K，制冷量為100 mW［8］。節(jié)流裝置采用了具有防堵塞功能的J-T節(jié)流閥和簡(jiǎn)易套管式熱交換器，如圖4和圖5所示。熱交換器是與預(yù)冷級(jí)的設(shè)計(jì)密切聯(lián)系在一起的，此系統(tǒng)可以配備一臺(tái)小型預(yù)冷級(jí)和高效率熱交換器，或者配一個(gè)合適的熱交換器和較大的預(yù)冷級(jí)。在這個(gè)制冷系統(tǒng)中有4個(gè)熱交換器，其整體效率超過99%。

圖4 簡(jiǎn)易套管式熱交換器Fig.4 Simple tube-in-tube Cooler heat exchanger

3.4 ACTDP 制冷機(jī)

針對(duì)深空探測(cè)等需求，2002年美國國家航空航天局啟動(dòng)了先進(jìn)制冷機(jī)技術(shù)開發(fā)項(xiàng)目(ACTDP)，這個(gè)項(xiàng)目主要在已經(jīng)成功開發(fā)的斯特林，脈沖管及布雷頓技術(shù)的基礎(chǔ)上制造6 K/18 K兩級(jí)制冷機(jī)［9］。4家公司與NASA簽署協(xié)議分別制造所需制冷機(jī)。每臺(tái)制冷機(jī)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(jié)流技術(shù)的有以下幾種方案。

圖5 防堵塞J-T節(jié)流閥Fig.5 Cooler J-T valve，which has sophisticated anti-plugging features

Ball公司制冷機(jī):Ball公司制冷機(jī)利用三級(jí)斯特林制冷機(jī)預(yù)冷線性壓縮機(jī)驅(qū)動(dòng)的J-T節(jié)流循環(huán)。壓縮機(jī)與低溫?zé)彷d距離為3 m，使低溫工作部件(探測(cè)器等)免受壓縮機(jī)產(chǎn)生的震動(dòng)及電磁干擾影響，節(jié)流循環(huán)可以提供6 K/18 K遠(yuǎn)程冷量。整個(gè)制冷系統(tǒng)總重量為27 kg，輸入功率大約150 W。三級(jí)預(yù)冷節(jié)流方案能夠?yàn)殡x壓縮機(jī)20 m外的低溫設(shè)備提供冷量。預(yù)冷后溫度為15 K，節(jié)流后制冷溫度為4—6 K/18 K，設(shè)計(jì)性能為電機(jī)功率125 W，30 mW@6 K，20 mW@4 K，150 mW@18 K，實(shí)際測(cè)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(jī):TRW公司制冷機(jī)采用三級(jí)脈沖管制冷機(jī)預(yù)冷線性壓縮機(jī)驅(qū)動(dòng)的J-T節(jié)流方案，如圖7所示。熱載與壓縮機(jī)分開一定的距離，使低溫工作部件(探測(cè)器等)免受壓縮機(jī)產(chǎn)生的震動(dòng)及電磁干擾影響，節(jié)流循環(huán)可以提供6 K/18 K兩個(gè)溫區(qū)的遠(yuǎn)程冷量。制冷系統(tǒng)總質(zhì)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(jī)被選中用于MIRI。MIRI以后的發(fā)展將致力于提高制冷量及效率，并要實(shí)現(xiàn)2 K的低溫。住友重工已經(jīng)研制出10 mW@1.7 K的制冷機(jī)并將用于冷卻SPICA設(shè)備［11］。

圖7 TRW制冷機(jī)Fig.7 TRW cryocooler

3.5 SPICA節(jié)流制冷機(jī)

SPICA是日本宇宙航空研究開發(fā)機(jī)構(gòu)和美國國家航空航天局、歐洲太空總署的合作項(xiàng)目，它將取代AKARI［12］紅外望遠(yuǎn)鏡，成為新一代的中遠(yuǎn)紅外波段望遠(yuǎn)鏡。SPICA將和以近中紅外波段為主要觀測(cè)區(qū)間的詹姆斯-韋伯太空望遠(yuǎn)鏡(JWST)在紅外太空觀測(cè)項(xiàng)目中形成互補(bǔ)之勢(shì)［5，13］。SPICA計(jì)劃在2009年仍然處于會(huì)議討論階段［8］。預(yù)計(jì)SPICA將在2017年由日本H-2A運(yùn)載火箭發(fā)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(diǎn)［11］。

SPICA上的制冷系統(tǒng)有兩臺(tái)獨(dú)立的J-T機(jī)械制冷機(jī)，工質(zhì)分別為3He和4He，它們由20 K斯特林制冷機(jī)預(yù)冷。4He節(jié)流循環(huán)制冷溫度為4.5 K，設(shè)計(jì)熱負(fù)荷為28 mW，實(shí)驗(yàn)所測(cè)得的制冷機(jī)性能為50 mW@4.4 K，壓縮機(jī)輸入功率145 W。3He節(jié)流循環(huán)制冷溫度為1.7 K，設(shè)計(jì)熱負(fù)荷為5 mW，實(shí)驗(yàn)所測(cè)得的制冷機(jī)性能為 16 mW@1.7 K［14］，壓縮機(jī)輸入功率166 W。

4 液氦溫區(qū)小型節(jié)流制冷機(jī)的發(fā)展趨勢(shì)

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

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

(3)向超長壽命、超可靠性發(fā)展。近年來特別是受導(dǎo)彈防御計(jì)劃的牽引，液氦溫區(qū)小型節(jié)流制冷機(jī)的壽命趨近于十年甚至更高。脈沖管、斯特林等預(yù)冷的節(jié)流制冷具有本征壽命長、具有高可靠性的制冷技術(shù)將得到進(jìn)一步發(fā)展。

(4)向極低溫發(fā)展。機(jī)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(fā)帶來的壽命限制，并大大減輕體積重量成本。如何進(jìn)一步提高效率，減少功耗，減少振動(dòng)干擾將是研究的重點(diǎn)。

5 總結(jié)

節(jié)流制冷機(jī)以其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、無運(yùn)動(dòng)部件等優(yōu)點(diǎn)，在航天科技，軍事領(lǐng)域中的優(yōu)勢(shì)日益突顯，脈沖管制冷技術(shù)也具有在低溫下沒有運(yùn)動(dòng)部件等優(yōu)點(diǎn)，因此，與其它制冷方式相比，將脈沖管與節(jié)流器耦合制冷技術(shù)具有明顯的優(yōu)勢(shì)，也正越來越受到更多國家和地區(qū)的重視。國內(nèi)研究可以借鑒國外相對(duì)成熟的低溫節(jié)流制冷技術(shù)，如TRW公司的三級(jí)脈沖管制冷機(jī)預(yù)冷線性壓縮機(jī)驅(qū)動(dòng)的J-T節(jié)流方案為研究提供經(jīng)驗(yàn)。在借鑒國外已有制冷方案的同時(shí)密切結(jié)合國內(nèi)的應(yīng)用發(fā)展需要，相信中國在液氦溫區(qū)小型節(jié)流制冷技術(shù)方面會(huì)很快走進(jìn)世界先進(jìn)行列。

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