空間吸附制冷技術(shù)的研究進(jìn)展

王兆利 李亞麗 羅寶軍 洪國(guó)同

(1中國(guó)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(guó)科學(xué)院研究生院 北京 100049)

空間吸附制冷技術(shù)的研究進(jìn)展

王兆利1，2李亞麗1羅寶軍1洪國(guó)同1

(1中國(guó)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(guó)科學(xué)院研究生院 北京 100049)

吸附制冷機(jī)具有工作壽命長(zhǎng)、無(wú)運(yùn)動(dòng)部件、不會(huì)產(chǎn)生振動(dòng)、可靠性較高、無(wú)電磁干擾的特點(diǎn)，是未來(lái)空間制冷技術(shù)中最重要的制冷技術(shù)之一。介紹了美國(guó)和歐洲空間吸附式制冷技術(shù)的發(fā)展和研究熱點(diǎn)，結(jié)合中國(guó)深空探測(cè)對(duì)低溫制冷技術(shù)的需求提出了發(fā)展空間吸附制冷技術(shù)的建議。

吸附制冷機(jī) 深空探測(cè) 研究進(jìn)展

1 引言

隨著中國(guó)衛(wèi)星技術(shù)的發(fā)展對(duì)高可靠、長(zhǎng)壽命制冷技術(shù)的需求日益增長(zhǎng)，吸附制冷機(jī)由于沒(méi)有任何損耗部件很容易滿(mǎn)足高可靠、長(zhǎng)壽命的要求。吸附制冷機(jī)采用吸附床代替?zhèn)鹘y(tǒng)的機(jī)械壓縮機(jī)，主要由吸附床、熱交換器、節(jié)流裝置、管道、閥門(mén)、加熱冷卻裝置和熱開(kāi)關(guān)組成。吸附床對(duì)制冷工質(zhì)的吸附為物理或化學(xué)吸附方式，當(dāng)吸附床加熱時(shí)，制冷工質(zhì)解吸，壓力升高，經(jīng)換熱器冷卻后降溫，節(jié)流或減壓蒸發(fā)產(chǎn)生制冷效應(yīng)，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(gè)制冷循環(huán)。低溫吸附制冷機(jī)具有工作壽命長(zhǎng)、無(wú)運(yùn)動(dòng)部件、不會(huì)產(chǎn)生振動(dòng)、可靠性較高、無(wú)電磁干擾的特點(diǎn)，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(zhì)氣體種類(lèi)，吸附床可遠(yuǎn)離冷端方便布置［1-3］。吸附式制冷自身的特點(diǎn)決定其是未來(lái)空間制冷技術(shù)中最重要的制冷技術(shù)之一。20世紀(jì)80年代末出現(xiàn)的吸附式制冷在國(guó)際宇航界引起了廣泛的重視。目前美國(guó)、歐洲都資助了相關(guān)研究項(xiàng)目，并取得了一些應(yīng)用。

2 國(guó)外研究進(jìn)展

2.1 1 W/20 K氫吸附制冷機(jī)［4-7］

2009年5月14日，歐洲宇航局在法屬圭亞那庫(kù)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(cè)遠(yuǎn)紅外光譜，考察137億年前宇宙大爆炸后瞬間充滿(mǎn)宇宙的輻射殘余宇宙微波背景輻射，回答人類(lèi)最關(guān)心的問(wèn)題，宇宙是如何起源和演變的。為了完成這一任務(wù)，Planck衛(wèi)星攜帶了1.5 m口徑的望遠(yuǎn)鏡，望遠(yuǎn)鏡能利用安放在艙內(nèi)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(cè)器高10多倍。為了能準(zhǔn)確測(cè)量微波背景輻射的溫度，探測(cè)器必須冷卻到接近絕對(duì)零度。Planck衛(wèi)星的低溫系統(tǒng)，包括一臺(tái)60 K輻射制冷器，一臺(tái)20 K氫吸附式制冷機(jī)，一臺(tái)4 K J-T制冷機(jī)和一臺(tái)100 mK稀釋制冷機(jī)。

20 K氫吸附低溫制冷機(jī)由美國(guó)著名的JPL實(shí)驗(yàn)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(gè)吸附床都通過(guò)氣隙式熱開(kāi)關(guān)控制與輻射散熱器之間的熱連接的導(dǎo)通與斷開(kāi)。當(dāng)吸附床加熱到450 K時(shí)，氫氣從吸附床脫附產(chǎn)生高壓氫氣，通過(guò)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(guò)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(jī)在20 K可提供1 W的制冷量?？偣?70 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(jī)的結(jié)構(gòu)示意圖和原理示意圖。

2.2 10 mW/5K氦吸附制冷機(jī)［8-9］

擬定于2014年發(fā)射的Darwin衛(wèi)星的目的是尋找類(lèi)地行星和對(duì)類(lèi)地行星的大氣以及生命化學(xué)痕跡進(jìn)行光譜分析。飛行編隊(duì)由5個(gè)太空探測(cè)器，其中4個(gè)太空探測(cè)器攜帶3—4 m級(jí)望遠(yuǎn)鏡，在一個(gè)50—500 m基線上進(jìn)行紅外干涉測(cè)量，要求在中紅外波段高分辨率成像。望遠(yuǎn)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(jí)，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(fù)合制冷技術(shù)方案，先用70 K和50 K輻射制冷器進(jìn)行預(yù)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(shí)有10 mW的制冷量。圖3為10 mW/5 K吸附制冷機(jī)系統(tǒng)示意圖。

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

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

2.3 10 μW/300 mK 吸附制冷機(jī)［10-13］

圖3 10 mW/5 K吸附制冷機(jī)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(yuǎn)鏡發(fā)射升空。Herschel空間望遠(yuǎn)鏡觀測(cè)波段為紅外線，研究星系的誕生與星際物質(zhì)之間的相互作用情況，觀測(cè)宇宙天體的大氣成分以及表面化學(xué)組成。圖4為搭載在Herschel衛(wèi)星上由法國(guó)原子能總署低溫部(CEASBT)研制的氦3極低溫吸附制冷機(jī)。預(yù)冷溫度為1.8 K，制冷溫度為300 mK。圖5為該吸附制冷機(jī)工作過(guò)程示意圖，該制冷機(jī)屬于間歇制冷，是極低溫下普遍采用的類(lèi)型。圖A中吸附床與熱沉(熱沉溫度為1.8 K)之間的熱開(kāi)關(guān)斷開(kāi)，蒸發(fā)器與熱沉之間的熱開(kāi)關(guān)閉合，吸附床被加熱，吸附質(zhì)被冷凝為液體并積聚在蒸發(fā)器內(nèi);圖B中吸附床與熱沉之間的熱開(kāi)關(guān)閉合，蒸發(fā)器與熱沉之間的熱開(kāi)關(guān)斷開(kāi)吸附床被冷卻，吸附質(zhì)被吸附，蒸發(fā)器壓力降低，溫度降低。圖C中熱開(kāi)關(guān)狀態(tài)與圖B相同，此時(shí)蒸發(fā)器內(nèi)壓力達(dá)到最低值，該壓力下的飽和溫度為制冷機(jī)的制冷溫度，蒸發(fā)器內(nèi)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(jī)Fig.4 3He sorption cryocooler

圖5 吸附制冷機(jī)工作過(guò)程示意圖Fig.5 Steps of cooling operation

極低溫吸附制冷技術(shù)中吸附床替代了機(jī)械壓縮機(jī)，吸附床工作在低溫下，實(shí)現(xiàn)低溫壓縮，減少了損失，縮小了體積。在有預(yù)冷的條件下，吸附制冷可以作為一個(gè)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(jī)［14］

微型吸附制冷技術(shù)是未來(lái)空間用制冷技術(shù)中極具潛力的一種，目前歐洲Twente大學(xué)已經(jīng)針對(duì)微型吸附制冷技術(shù)進(jìn)行比較深入的研究，已經(jīng)研制出了直徑1 cm，長(zhǎng)度10 cm的吸附床，其余部件采用MEMS技術(shù)加工的吸附制冷機(jī)實(shí)現(xiàn)了200 mW/165 K的目標(biāo)，圖6為微型吸附床結(jié)構(gòu)圖，未來(lái)將進(jìn)一步縮小吸附床體積至直徑 5 mm，長(zhǎng)度 5 cm。此外，荷蘭Twente大學(xué)正在研制一臺(tái)液氮溫區(qū)的微型吸附制冷機(jī)10 mW/96 K工質(zhì)氣體為氮?dú)?，吸附劑為活性炭，該制冷機(jī)低溫端部分，尺寸為30 mm×2 mm×0.5 mm。

3 總結(jié)和建議

吸附式制冷機(jī)是空間用低溫制冷機(jī)的重要組成部分，其研究重點(diǎn)主要集中在以下幾個(gè)方面:

(1)高性能吸附劑的研究

吸附制冷作為一種無(wú)任何損耗部件的制冷技術(shù)，其制冷效率很大程度取決于吸附劑的特征，過(guò)去活性炭的比表面積只能到達(dá)1 000 m2/g，隨著材料科學(xué)的發(fā)展，現(xiàn)在活性炭的比表面積已經(jīng)達(dá)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(jī)械式制冷。

(2)部件性能的改進(jìn)

圖6 微型吸附床Fig.6 Micro sorption bed

單向閥、熱開(kāi)關(guān)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(gè)關(guān)鍵問(wèn)題，經(jīng)過(guò)專(zhuān)門(mén)選購(gòu)的閥門(mén)可滿(mǎn)足長(zhǎng)壽命的需求，節(jié)流閥是整個(gè)制冷系統(tǒng)的薄弱環(huán)節(jié)，小孔節(jié)流閥結(jié)構(gòu)最簡(jiǎn)單但抗堵性能差?，F(xiàn)在多采用金屬粉末燒結(jié)材料做節(jié)流閥，實(shí)驗(yàn)結(jié)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(wú)數(shù)多的并行通道。低溫吸附制冷機(jī)常用的部件是熱開(kāi)關(guān)，現(xiàn)在主要發(fā)展的是氣隙式熱開(kāi)關(guān)。

(3)吸附床效率的提高

吸附制冷機(jī)的核心是吸附床，其性能提高手段主要是傳熱傳質(zhì)強(qiáng)化。傳熱強(qiáng)化主要包括擴(kuò)展換熱面積、提高傳熱系數(shù)，傳質(zhì)強(qiáng)化則主要采用減小傳質(zhì)制路徑的技術(shù)手段。對(duì)活性炭等吸附材料可以通過(guò)吸附劑材料壓縮固化的辦法提高其導(dǎo)熱系數(shù)。對(duì)金屬吸氫材料其導(dǎo)熱系數(shù)往往要比活性炭等吸附劑高得多，導(dǎo)熱問(wèn)題相對(duì)不是主要問(wèn)題。

(4)提高整機(jī)的熱效率

基本的吸附式制冷是間歇型的，要實(shí)現(xiàn)連續(xù)制冷可采用兩臺(tái)或兩臺(tái)以上的吸附床交替運(yùn)行。要提高制冷機(jī)效率可對(duì)吸附床進(jìn)行回?zé)嵫h(huán)，在吸附床加熱過(guò)程中的熱量進(jìn)行再利用，將待冷卻的吸附床和待加熱的吸附床通過(guò)熱開(kāi)關(guān)連接起來(lái)，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(jī)的效率。此外多級(jí)吸附床可獲得比單級(jí)吸附床更高的壓力，可以減小吸附床內(nèi)死體積，從而提高吸附制冷機(jī)的效率。

目前吸附式制冷機(jī)正朝著多床多級(jí)、小型化、微型化的方向發(fā)展。中國(guó)吸附制冷技術(shù)的研究主要集中在常溫區(qū)太陽(yáng)能或余熱利用領(lǐng)域，由于應(yīng)用對(duì)象不同，空間吸附式制冷和常溫吸附式制冷在制冷結(jié)構(gòu)，吸附劑，工質(zhì)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(jī)可滿(mǎn)足空間制冷技術(shù)對(duì)高可靠性、長(zhǎng)壽命、無(wú)干擾的要求，開(kāi)展對(duì)空間吸附制冷技術(shù)的研究將有重要的科學(xué)價(jià)值和實(shí)用價(jià)值。

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

2 陳國(guó)邦.最新低溫制冷技術(shù)［M］.北京:機(jī)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(yīng)用［M］.北京:科學(xué)出版社，2007.

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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。