液氦溫區(qū)預(yù)冷型J-T制冷機降溫旁通研究進展

向振之，張華，劉少帥，蔣珍華，湯逸豪

（1-上海理工大學(xué)，上海 200093；2-中國科學(xué)院上海技術(shù)物理研究所，上海 200083）

0 引言

量子超導(dǎo)干涉器件（SQUID）、空間紅外探測、毫米波與亞毫米波探測以及宇宙背景探測等空間探測器的工作溫度在液氦溫區(qū)及mK 級溫區(qū)，其中為獲得mK 級溫區(qū)的制冷需要用液氦溫區(qū)制冷機為其提供預(yù)冷[1-6]。預(yù)冷型J-T 制冷機具有壽命長、結(jié)構(gòu)緊湊、效率高、可靠性好等優(yōu)點，已逐步成為空間液氦溫區(qū)制冷技術(shù)的研究熱點。目前已發(fā)射和在研的所有搭載液氦溫區(qū)機械式制冷機的空間探測任務(wù)中均采用了預(yù)冷型J-T 制冷機[7-8]。

預(yù)冷型J-T制冷機由預(yù)冷制冷機與J-T制冷機組成。預(yù)冷制冷機一般采用斯特林制冷機（Stirling）、脈沖管制冷機（Pulse Tube）和GM 制冷機等為其提供預(yù)冷。J-T 制冷機由多級間壁式換熱器（HX）、節(jié)流部件（VAL）和蒸發(fā)部件（EVA）等組成。為使氦氣實現(xiàn)節(jié)流制冷，需將氦氣溫度the預(yù)冷至43 K(4He)/34 K(3He)的轉(zhuǎn)換溫度（ inversion temperature，tinv）以下[8-10]。一般液氦溫區(qū)J-T 制冷機需花費大量時間預(yù)冷將蒸發(fā)節(jié)流單元（EVA-VAL）與節(jié)流前the冷卻到tinv以下。空間探測器如果遇見特殊情況例如制冷機需要啟停機時，則需要花費大量時間，勢必影響空間探測任務(wù)正常進行。

近年來，研究人員針對縮短J-T 制冷機預(yù)冷時間做了大量研究，這些研究都有力推動了液氦溫區(qū)J-T制冷機的發(fā)展。本文分析并討論了影響J-T 制冷機預(yù)冷時間的原因和降溫旁通結(jié)構(gòu)的實際應(yīng)用案例。

1 預(yù)冷降溫時間

1.1 預(yù)冷降溫時間

美國BALL 空間技術(shù)公司（Ball Aerospace & Technologies Corp，BALL）2007年報道了一款為詹姆斯·韋伯望遠鏡（James Webb Space Telescope，JWST）中波紅外探測器（The Mid Infrared Instrument，MIRI）設(shè)計的一款三級斯特林制冷機提供預(yù)冷的6 K級J-T 制冷機[11]。BALL 公司2011年報道了一款為未來機載應(yīng)用和空間觀測設(shè)計的一款兩級斯特林制冷機提供預(yù)冷4 K 級J-T 制冷機[12]。表1為BALL公司兩款制冷機預(yù)冷降溫時間。

上述兩款制冷機在降溫的初始階段均使用旁通模式使初始降溫時間大大縮短。當J-T 制冷機中的末級換熱器（HXN）、蒸發(fā)節(jié)流單元（EVA-VAL）和相應(yīng)管路中的the均冷卻至tinv以下時可關(guān)閉旁通模式，并切換至J-T 循環(huán)模式開始進行J-T 制冷過程。一般關(guān)閉旁通模式的溫度為20 K 左右。因為氦氣在25 K～43 K 等焓曲線近乎水平，微分節(jié)流系數(shù)很小、節(jié)流效應(yīng)不明顯，在25 K 以下微分節(jié)流系數(shù)逐漸變大。從T-S 圖可以看出，當節(jié)流前the為7.8 K 時，經(jīng)等焓節(jié)流可以降低至4.2 K[13]。

表1 BALL 公司J-T 制冷機預(yù)冷性能

1.2 預(yù)冷降溫時間的影響因素

為使液氦溫區(qū)J-T 制冷機產(chǎn)生節(jié)流制冷效應(yīng)，需要花費大量時間將VAL、EVA 及相應(yīng)管路等部件預(yù)冷至tinv以下。目前對影響預(yù)冷降溫時間的研究主要集中在間壁式換熱器（HX）換熱效率ε和氦氣流量fhe。

1.2.1 間壁式換熱器（HX）對降溫速率的影響

J-T 制冷機一般采用螺旋套管型間壁式換熱器[8]（圖1所示），其作用是通過內(nèi)管和外管之間環(huán)狀管道中的低壓氦氣來預(yù)冷內(nèi)管中的高壓氦氣。圖2為換熱器效率ε對制冷量的影響，表明高效率的換熱器可充分利用低壓回流氦氣的冷量，減少對預(yù)冷制冷機冷量的需求[14-15]，提升ε可顯著提升J-T 制冷機性能[16]。但在預(yù)冷階段，tEVA-VAL和節(jié)流前the均高于tinv，來流氦氣流經(jīng)VAL 后將會被加熱，并流入HX內(nèi)管和外管之間的環(huán)狀管道。此時來流氦氣將會被回流氦氣加熱，使節(jié)流前the持續(xù)升高，進一步惡化降溫過程。

此外，HX 一般采用無氧銅或者不銹鋼作為材料，圖3表示了316 不銹鋼與無氧銅溫度與比熱的關(guān)系，其數(shù)值由NIST 物性軟件查詢得到。由圖3可知，隨著溫度降低，不銹鋼和無氧銅的比熱將降低。即隨著降溫過程的推進，HX 比熱將降低，HX降溫速率加快。

圖1 螺旋套管換熱器

圖2 管換熱器效率對制冷量的影響[15]

圖3 無氧銅與316 不銹鋼的溫度與比熱的關(guān)系

在初始降溫階段，被節(jié)流制熱的氦氣加熱來流氦氣，使得HX 降溫過程變緩慢；其次，由于HX 材料比熱隨著溫度的降低而增大，故在初始降溫階段，J-T制冷機系統(tǒng)降溫速率極其緩慢。

1.2.2 氦氣流量（fhe）對預(yù)冷降溫的影響

在預(yù)冷階段，HX 中氦氣的流動換熱起主要降溫作用。當J-T 循環(huán)管路中fhe越大，由氦氣流動換熱帶來的溫降越大，HX 降溫速率越快。式1 為流經(jīng)VAL 時的fhe公式[8]。當氦氣流經(jīng)VAL 時，由于流道突縮，帶來的局部阻力限制著J-T 循環(huán)管路中fhe，氦氣的密度隨著溫度的降低而增大。fhe隨著溫度降低而增大，J-T 循環(huán)管路的降溫速率隨溫度降低而增大[12]。

式中：

fhe——通過節(jié)流孔的流量，kg/s；

F——節(jié)流孔出口處的橫截面積，m2；

k——氣體的絕熱指數(shù)，氦氣絕熱指數(shù)為1.67；

p——節(jié)流前氣體壓力，Pa；

ρ——節(jié)流前的氣體的密度，kg/m3。

2 降溫旁通

末級間壁式換熱器（HXN）的換熱效率ε和J-T循環(huán)管路中fhe對J-T 制冷機預(yù)冷階段降溫時間影響較大。研究人員通過設(shè)置降溫旁通，可以顯著減少預(yù)冷降溫時間。

降溫旁通的形式主要有兩種，第一種是在預(yù)冷階段減小管路中的局部阻力、增大管路中的fhe。通過布置一個平行于VAL 的支路，讓氦氣繞過VAL，避免VAL 限制管路中fhe。第二種是在預(yù)冷階段避免初始溫度較高和被節(jié)流加熱的氦氣進入HXN 中加熱來流方向低溫氦氣。通過布置旁通支路讓氦氣不流經(jīng)HXN的內(nèi)管或內(nèi)管與外管之間的環(huán)形通道，依靠氦氣流動換熱和輻射換熱讓J-T 循環(huán)管路的溫度降低至tinv以下。

基于這兩種旁通結(jié)構(gòu)的布局形式，目前降溫旁通的布局主要有4 種，分別介紹如下。

2.1 旁通HXN 高壓側(cè)管路ab 和VAL

第1 種降溫旁通結(jié)構(gòu)為在HXN 來流進口a 和VAL 出口f 設(shè)置旁通支路，其布局如圖4所示。此時，J-T 循環(huán)管路中的氦氣主流繞過HXN 高壓側(cè)通道ab 與VAL，通過低溫來流氦氣的流動換熱將HXN 低壓側(cè)通道cd 與EVA 迅速冷卻，再依靠熱傳導(dǎo)與熱輻射將HXN 高壓側(cè)通道ab 與VAL 冷卻降溫至tinv以下。

第1 種旁通結(jié)構(gòu)中氦氣繞流ab 段和VAL，一方面可增大J-T 循環(huán)管路中fhe，使氦氣流動換熱帶來溫降變劇烈，加速J-T 制冷機預(yù)冷降溫過程。但另一方面ab 段和VAL 是氦氣節(jié)流相變關(guān)鍵部件，其降溫時間直接影響了J-T 制冷機預(yù)冷降溫時間。ab 段和VAL 依靠導(dǎo)熱和輻射進行冷卻降溫，降溫速率較為緩慢。當進行J-T 節(jié)流制冷時，旁通支路將連接10 K 級的a 和4 K 級的f，使ta通過旁通管路和管路中氦氣的導(dǎo)熱傳遞至f，影響進入EVA 中液氦的溫度和干度，進而影響制冷性能。

1978年美國Air Products and Chemicals 公司（APCI）的GM/J-T 制冷機設(shè)計方案中首次提出采用旁通HXN 高壓側(cè)通道和VAL 加速降溫的方法，該款制冷機可在4.2 K 提供2 W 冷量[17-18]。表2匯總了目前在研和已應(yīng)用的空間液氦溫區(qū)J-T 制冷機中采用第1 種降溫旁通結(jié)構(gòu)的項目。

圖4 第1 種降溫旁通布局圖

表2 使用第1 種旁通結(jié)構(gòu)空間用液氦溫區(qū)J-T 制冷機

2.2 旁通EVA 和HXN 低壓側(cè)管路cd

第2 種降溫旁通結(jié)構(gòu)方式為在VAL 出口f 和HXN低壓出口d設(shè)置旁通支路，其布局如圖5所示。此時，J-T 循環(huán)管路中的氦氣不流經(jīng)HXN 低壓側(cè)通道cd 和EVA，而依靠低溫來流氦氣的流動換熱將HXN 高壓側(cè)通道ab 與VAL 迅速冷卻，再依靠熱傳導(dǎo)與熱輻射對HXN低壓側(cè)通道cd與EVA冷卻降溫。

NASA的JWST計劃中的MIRI部件最終中標方案為NGST設(shè)計的三級脈沖管預(yù)冷J-T制冷機[35-36]，2011年報道該款制冷機性能為68 mW@6.2 K 和153 mW@18 K[37-40]。在NGST對該款制冷機早期的設(shè)計中，采用了第1種旁通結(jié)構(gòu)。但是第1種旁通結(jié)構(gòu)布局中，低溫來流氦氣不流經(jīng)HXN高壓側(cè)通道ab和VAL，該部分的預(yù)冷降溫依靠HXN管路的熱傳導(dǎo)和熱輻射實現(xiàn)。在第2種旁通結(jié)構(gòu)中J-T循環(huán)管路的氦氣直接流經(jīng)HNX高壓側(cè)通道ab和VAL，該部分的預(yù)冷降溫由低溫氦氣的流動換熱實現(xiàn)，其降溫速率大大提升。由式1可知，隨著降溫過程的進行，fhe將增大，有助于減小由于tinv以上節(jié)流，產(chǎn)生制熱效應(yīng)而對系統(tǒng)降溫所帶來的不利影響。當進行J-T節(jié)流制冷時，與第1種旁通結(jié)構(gòu)相比，td＜ta，將減少對節(jié)流后液氦狀態(tài)的影響。

圖5 第2 種降溫旁通布局圖

2.3 旁通VAL 和HX 低壓通道ch

第3 種降溫旁通結(jié)構(gòu)方式為在HXN 高壓側(cè)出口c 設(shè)置旁通支路，氦氣將不流經(jīng)VAL 和HX 低壓側(cè)管路ch 而直接旁通至HX1 低壓側(cè)管路出口h，其布局如圖6所示。此時，低溫氦氣的流動換熱將HXN 高壓側(cè)通道ab 迅速冷卻，再依靠熱傳導(dǎo)與熱輻射將HX 低壓側(cè)通道ch、VAL 與EVA 冷卻降溫。

荷蘭特溫特大學(xué)（University of Twente）為中紅外電子超大型成像儀和光譜儀（the Mid-infrared E-ELT Imager and Spectrograph，METIS）的實際需求[41-42]設(shè)計一款8 K級吸附式J-T制冷機，為METIS的光學(xué)部件提供冷卻，該款J-T 制冷機由氖氣和氫氣為工質(zhì)氣體的J-T 制冷機進行前級預(yù)冷，最終性能約為400 mW@8 K[43]，該款制冷機采用了第3 種降溫旁通結(jié)構(gòu)。

采用第3 種降溫旁通結(jié)構(gòu)的液氦溫區(qū)J-T 制冷機，可將HX 低壓側(cè)和VAL 對氦氣流動的阻礙等不利影響克服，使進入VAL 前低溫氦氣所需流經(jīng)的管路溫度迅速冷卻設(shè)定溫區(qū)。但上例中旁通支路的旁通閥設(shè)置在高低溫區(qū)，為了減少因旁通支路連接eh而帶來的冷量損失，需要對旁通管路分段進行預(yù)冷。如圖6所示，EVA、一級預(yù)冷、末級預(yù)冷均對旁通支路進行了預(yù)冷降溫，增大了預(yù)冷機和J-T 制冷機的冷量需求。

圖6 第3 種降溫旁通布局圖

2.4 旁通HX 低壓側(cè)管路ch

第4 種旁通結(jié)構(gòu)方式為在EVA 出口g 設(shè)置旁通支路，氦氣將不流經(jīng)HX 低壓側(cè)管路而直接旁通至J-T 循環(huán)管路外，其布局如圖7所示。在此結(jié)構(gòu)中，通過低溫氦氣的流動換熱將HXN 高壓側(cè)通道ab、VAL 和EVA 迅速冷卻，再依靠熱傳導(dǎo)與熱輻射將HX 低壓側(cè)通道冷卻降溫。

2016年，浙江大學(xué)研制了一臺開式循環(huán)4 K 級J-T 制冷機即采用了第4 種旁通結(jié)構(gòu)，該款制冷使用兩級GM 制冷機進行預(yù)冷，性能為60 mW@4.4 K[17]。

與上述3 種旁通結(jié)構(gòu)相比，第4 種旁通結(jié)構(gòu)是由EVA 出口g 旁通至系統(tǒng)外。上例為開式系統(tǒng)，可通過增大流量至fhemax的方式克服VAL 帶來的流動限制和tinv以上節(jié)流制熱的不利影響。在閉式系統(tǒng)中，fhe由壓縮機提供。在J-T 循環(huán)中，由于低溫下ρhe增大使fhe增大，實際所需的壓縮機出口fhe遠小于fhemax。為了實現(xiàn)預(yù)冷階段所需fhemax而提升壓縮機出口fhe是不經(jīng)濟的。由于旁通閥設(shè)置在高低溫區(qū)或常溫區(qū)，所以在J-T 循環(huán)過程中，旁通支路需要預(yù)冷機提供額外冷量進行預(yù)冷，故此結(jié)構(gòu)適用于大冷量預(yù)冷的開式J-T 系統(tǒng)中。

圖7 第4 種降溫旁通布局圖

3 結(jié)論

表3總結(jié)了當前在研和應(yīng)用中的液氦溫區(qū)J-T制冷機降溫旁通結(jié)構(gòu)的主要特點，本文詳細介紹了表3所列出的4 種旁通結(jié)構(gòu)和實際案例，分析了J-T制冷機預(yù)冷降溫時間的影響因素，主要結(jié)論如下。

1）液氦溫區(qū)J-T 制冷機已成為未來空間探測的研究熱點，但過長的預(yù)冷降溫時間嚴重制約了J-T 制冷機的使用。通過在合適的位置布局降溫旁通支路，可以大幅度減少降溫時間。

2）在設(shè)計旁通支路時，應(yīng)綜合考慮預(yù)冷量、布置位置、高低壓結(jié)構(gòu)、開/閉式循環(huán)等因素。

3）面向未來空間應(yīng)用的液氦溫區(qū)J-T 節(jié)流制冷機，其小型化、快速降溫、快速響應(yīng)等目標將得到進一步的研究和發(fā)展，特別是針對深低溫應(yīng)用背景的電磁閥和熱開關(guān)（Thermal switch）的迫切需求。

表3 液氦溫區(qū)J-T 制冷機降溫旁通比較