空間環(huán)境模擬設(shè)備熱沉冷卻控溫流程綜述

楊建斌

（蘭州空間技術(shù)物理研究所，蘭州 730000）

0 引言

宇宙空間環(huán)境相當于一個無垠的黑體，空間環(huán)境的背景熱輻射等效于3 K的黑體輻射，故稱空間環(huán)境為冷黑環(huán)境[1]。在空間環(huán)境模擬設(shè)備中采用熱沉模擬空間的這種低溫和黑體環(huán)境（冷黑背景）；在熱真空環(huán)境試驗設(shè)備中，也將熱沉作為輻射換熱器，對試驗載荷進行控溫。

空間環(huán)境模擬設(shè)備的熱沉是具有冷卻介質(zhì)流道的金屬殼體，其內(nèi)表面涂有高發(fā)射率和高吸收率的黑漆；其溫度可根據(jù)模擬的工程需求進行設(shè)定。對熱沉進行冷卻控溫的循環(huán)系統(tǒng)稱之為熱沉流程，低溫制冷技術(shù)為冷卻控溫流程提供了有效的技術(shù)手段。熱沉冷卻控溫流程是空間環(huán)模設(shè)備中重要的系統(tǒng)之一，經(jīng)過多年的發(fā)展應用，形成了多種熱沉冷卻控溫流程，包括采用液氦、液氮、氣體制冷機、氦氣膨脹制冷系統(tǒng)以及蒸氣壓縮制冷循環(huán)等多種方式的冷卻控溫流程。目前，模擬地球軌道航天器運行環(huán)境熱沉的控溫流程技術(shù)已較成熟，但隨著深空探測等航天活動的開展，對熱沉溫度在20 K溫區(qū)的空間環(huán)模設(shè)備的需求逐漸增多，因而，需要可靠經(jīng)濟的20 K以下冷卻控溫技術(shù)提供支撐。航天工程是一種高投入的活動，對地面試驗用空間環(huán)模設(shè)備同樣更關(guān)注功能和性能的實現(xiàn)，對造價和經(jīng)濟性考慮較少；隨著航天事業(yè)的發(fā)展和商業(yè)航天的興起，經(jīng)濟性已成為十分重要的因素，這就要求科技人員從經(jīng)濟性角度對一些成熟的航天技術(shù)重新進行審視，尋求滿足技術(shù)需求前提下更為經(jīng)濟可靠的技術(shù)方案，熱沉冷卻控溫循環(huán)也面臨著同樣的問題。本文對空間環(huán)境模擬設(shè)備熱沉冷卻控溫流程技術(shù)進行總結(jié)，提出一些發(fā)展思路和建議，以期對空間環(huán)境模擬設(shè)備的研制提供參考。

1 熱沉冷卻控溫流程研究歷程

建造空間環(huán)境模擬設(shè)備的需求促進了熱沉冷卻控溫流程的研究和發(fā)展。上世紀60年代初，我國同步開展了人造地球衛(wèi)星研制與空間環(huán)境模擬設(shè)備的研制，也開啟了熱沉冷卻控溫流程的研究歷程。1968年，KM1、KM2[2-3]設(shè)備投入使用，兩者的熱沉溫度均為100 K，均采用開式液氮循環(huán)流程冷卻[2-3]。1970年KM3[4]設(shè)備完成建造，其熱沉溫度也為100 K，采用單相密閉過冷器液氮循環(huán)流程。上海衛(wèi)星工程研究所1970年建成的KM5設(shè)備采用了開式液氮泵循環(huán)流程[5]。從上世紀八十年代至21世紀初，隨著航天事業(yè)的快速發(fā)展，空間環(huán)模設(shè)備的建造進入噴發(fā)期。在此期間，科研人員對熱沉冷卻控溫循環(huán)做了大量探索研究工作。北京衛(wèi)星環(huán)境工程所的大型設(shè)備KM4[6]和KM6[7-8]，上海衛(wèi)星工程研究所的KM5A[9]和KM5B[10]等設(shè)備均采用了單相密閉過冷器循環(huán)流程，針對這種流程，除了研究其整體流程和參數(shù)匹配[6-8]外，還對循環(huán)流程中穩(wěn)壓元件文丘里管[11-12]、流程循環(huán)系統(tǒng)的啟動性能[13]以及循環(huán)系統(tǒng)硬件的設(shè)計[14]等進行了探討。也有科研人員在一些設(shè)備上嘗試了采用閉式負壓過冷器循環(huán)將熱沉溫度降至70 K的流程[15]。在小型環(huán)模設(shè)備和一些中型設(shè)備采用了開式液氮循環(huán)流程[16-18]，但對開式循環(huán)的優(yōu)點重視不夠，相關(guān)的研究不充分，影響了該循環(huán)在大型環(huán)模設(shè)備上的應用。

蘭州空間技術(shù)物理所研制的ZM4300大型環(huán)模設(shè)備具備液氮和兩級復疊制冷兩種熱沉冷卻模式[19-20]；并且液氮冷卻流程可實現(xiàn)開式循環(huán)、液氮倒罐循環(huán)、開式液氮泵循環(huán)和單相密閉過冷器循環(huán)四種模式，為設(shè)備操作帶來了很大便利，增加了設(shè)備運行的可靠性。以液氮為冷源，采用氮氣為循環(huán)介質(zhì)的氣氮調(diào)溫流程，以其熱沉溫度范圍寬（100～473 K）、溫度易調(diào)控以及液氮消耗量小等優(yōu)點得到了重視。KM3及KM4等設(shè)備中都設(shè)置有氮氣系統(tǒng)，但該系統(tǒng)的功能僅限于熱沉復溫[3，6，9-10]，而不是熱沉調(diào)溫。KM6設(shè)備的氮氣循環(huán)系統(tǒng)[21]可將熱沉在173～373 K之間進行調(diào)節(jié)，首次在國內(nèi)實現(xiàn)氣氮循環(huán)在大型環(huán)模設(shè)備熱沉調(diào)溫中的應用。在熱沉控溫需求的牽引下，科研人員對氣氮調(diào)溫流程進行了大量的研究[22-23]。2011年，兩項熱沉氣氮調(diào)溫流程的中國發(fā)明專利[24-25]獲得授權(quán)，并在多臺中大型環(huán)模設(shè)備上獲得成功應用。

近年來，隨著對20 K溫區(qū)熱沉的應用需求逐漸增多，國內(nèi)也開展了一些相關(guān)應用[26-27]和研究[28]，但較少。由于對熱沉溫度在203～423 K（-70～150℃）范圍的小型真空環(huán)模設(shè)備的需求比較旺盛，因而，對蒸氣壓縮制冷循環(huán)在這類設(shè)備上的應用研究較充分[20，29-30]，該循環(huán)也得到了很好的應用。也有學者探討了采用半導體制冷對熱沉進行控溫的方式[31]，為熱沉控溫開拓了不同的思路。

2 熱沉冷卻控溫流程分析比較

2.1 液氮冷卻控溫流程

液氮是一種較廉價、易獲得且較安全的低溫液體，其沸點為77.35 K（-195.8℃），可為100 K熱沉提供理想的冷卻手段。液氮冷卻流程包括開式沸騰流程、重力供液循環(huán)流程、開式泵循環(huán)流程、節(jié)流泵循環(huán)流程、單相密閉過冷器循環(huán)流程、減壓蒸發(fā)循環(huán)流程以及氣氮循環(huán)調(diào)溫流程等。

2.1.1 開式沸騰流程

該流程利用液氮儲槽的氣枕壓力和液位靜壓將液氮輸入熱沉，液氮沸騰汽化，再利用液氮汽化潛熱將熱沉冷卻至所需溫度（≤100 K）。流程包括開式液氮沸騰和液氮倒罐供液循環(huán)兩種流程，如圖1和圖2所示。

圖1 開式液氮沸騰流程原理圖Fig.1 Liquid nitrogen open boiling cycle process

圖2 液氮倒罐供液循環(huán)流程原理圖Fig.2 Liquid nitrogen inverted tank supply cycle process

開式液氮沸騰流程的特點是簡單可靠、熱沉溫度低，缺點是排氣會夾帶未汽化的液體，液氮利用率低。目前直徑在2 m以內(nèi)的小熱沉幾乎都采用這種流程。液氮倒罐供液流程是開式流程的改良，可將排氣帶出的液氮回收，供液和循環(huán)流量可以比較大，可用于試驗熱負荷較大的熱沉和中大型熱沉。缺點是供液罐切換時熱沉溫度波動較大。該流程一般在大型閉式過冷器循環(huán)流程中作為應急備用方式。針對開式沸騰流程，通過對熱沉結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計和排氣的優(yōu)化控制，既可保證較低的熱沉溫度，又能降低液氮的損失。幾種優(yōu)化措施如圖3和圖4所示。

圖3 機械式自動排氣閥及應用場景Fig.3 Mechanical automatic exhaust valve and application scenarios

圖3是美國PHPK公司研制的一種機械式自動排氣閥，該閥可以安裝在氮氣排放口，能夠保證液氮不被氣氮帶出，減小液氮損失。該排氣閥在國內(nèi)早期環(huán)模設(shè)備的大口徑低溫泵氮氣排口有應用。采用溫度傳感器或液位傳感器信號控制液氮進液流量，可以使熱沉上匯總管中氣液充分分離形成穩(wěn)定界面，保證排出的氣氮中不裹帶液氮，降低液氮損失，如圖4所示。結(jié)合熱沉結(jié)構(gòu)的優(yōu)化，這種改進的開式流程技術(shù)可用于大型環(huán)模設(shè)備。ZM4300設(shè)備[19]熱沉直徑3.8 m，具備多種液氮循環(huán)模式，為了降低操作復雜程度，實際運行中常采用開式沸騰模式運行，熱沉溫度完全滿足低于100 K的要求。

圖4 上匯總管傳感器控制進液量模式示意圖Fig.4 The liquid intake control mode by sensor in the upper summary tube

2.1.2 重力供液循環(huán)流程

重力供液循環(huán)，也稱為熱虹吸（thermo siphon）供液循環(huán)，如圖5所示，是采用流體連通器結(jié)構(gòu)，利用重力將液氮輸入熱沉，部分液氮在熱沉流道內(nèi)吸熱汽化，熱沉和回液管道內(nèi)流體成為氣液兩相混合物，導致熱沉側(cè)流體柱產(chǎn)生的靜壓減小，與供液管道側(cè)之間形成壓差，兩側(cè)間壓力差推動液氮循環(huán)持續(xù)進行。重力供液循環(huán)流程具有無運動部件、運行穩(wěn)定可靠、閥門等流程部件用量少、無循環(huán)泵軸功廢熱損失、管路簡化、液氮耗量低、投資及維護成本低等優(yōu)點。唯一的缺點是管路和熱沉流道中可能會產(chǎn)生氣堵，設(shè)計時應避免管路在流體上升段出現(xiàn)局部下降段，保證流體水平段沿流動方向保持一定的上升坡度。

圖5 重力供液循環(huán)流程原理圖Fig.5 Gravity liquid supply cycle process

國內(nèi)在小型環(huán)模設(shè)備及大口徑低溫泵中偶有采用[32-33]重力供液循環(huán)流程。國外在大型環(huán)模設(shè)備中廣泛采用該流程，日本國家太空開發(fā)署（National Space Development Agency of Japan）的6 m直徑空間模擬艙采用了重力供液循環(huán)[34]。美國在2006年對約翰遜空間中心空間環(huán)模實驗室（SESL）的真空罐A進行了改造，采用重力供液流程替代了原來的泵循環(huán)流程，保證了熱沉在89 kW的熱負荷下正常工作[35-36]，滿足詹姆斯韋伯空間望遠鏡（JWST）的試驗要求。

2.1.3 開式泵循環(huán)流程

開式泵循環(huán)流程采用液氮泵從液氮儲槽中抽取飽和液氮，經(jīng)過泵增壓后注入熱沉，吸熱后的液氮再返回儲槽，汽化的液氮通過儲槽放空閥排空，未蒸發(fā)的液體繼續(xù)參與循環(huán)。該流程包括泵循環(huán)兩相流和節(jié)流兩種流程，如圖6、圖7所示。在泵循環(huán)兩相流流程中，液氮在熱沉中吸熱后部分汽化成為氣液兩相狀態(tài)，回流至儲槽后氣液兩相分離，氣相排空，液相繼續(xù)參與循環(huán)。該流程的初衷是為了降低儲槽壓力，同時克服開式液氮沸騰流程排氣夾帶液相的缺陷，但循環(huán)泵的軸功廢熱也會造成液氮的額外汽化。采用此流程要從功能及液氮耗量兩方面進行權(quán)衡，由于液氮汽化潛熱較大（198 kJ/kg），故熱沉穩(wěn)定工況時液氮汽化量較小，此流程宜采用小流量循環(huán)泵以降低泵功率。

圖6 泵循環(huán)兩相流流程Fig.6 Pump cycle two-phase flow process

圖7 泵循環(huán)節(jié)流流程Fig.7 Pump cycle throttling process

在泵循環(huán)節(jié)流流程的工質(zhì)返回儲槽處設(shè)有節(jié)流閥，以使循環(huán)泵與節(jié)流閥之間的液氮處于帶壓過冷狀態(tài)。單相過冷液氮與熱沉換熱過程不發(fā)生相變，只是吸熱后溫度升高，當液氮通過節(jié)流閥時，壓力瞬間降低，液體發(fā)生閃蒸，部分液體汽化排空帶走熱量，其余液體溫度降低至儲槽壓力下的飽和溫度，在儲槽中成為飽和液體繼續(xù)參與循環(huán)。該流程循環(huán)泵的選擇計算與單相密閉過冷器循環(huán)流程基本相同。該流程的優(yōu)點是，熱沉內(nèi)換熱過程不發(fā)生相變，運行穩(wěn)定，溫度均勻，不需要過冷器，流程較簡單。缺點是循環(huán)泵易發(fā)生氣蝕；循環(huán)泵輸入的軸功最終轉(zhuǎn)化為廢熱，會損耗一定量液氮。流程實施時，節(jié)流閥應盡量靠近儲槽，儲槽回液管口徑最好加大，以降低比容較大的氣液混合物的流動阻力。液氮泵應盡可能靠近儲槽，最好置于儲槽下方，以保證泵入口的正壓。

2.1.4 單相密閉過冷器循環(huán)流程

國內(nèi)大中型環(huán)模設(shè)備的熱沉一般都采用單相密閉過冷器循環(huán)流程，該流程的循環(huán)工質(zhì)液氮始終處于過冷液相狀態(tài)，利用過冷液氮的顯熱冷卻熱沉，可以使熱沉進出口溫差較小，溫度均勻性好。流程原理如圖8～10所示。

圖8和圖9為典型的單相密閉過冷器循環(huán)流程。在流程中，液氮泵提供液體循環(huán)的壓頭；在過冷器中，常壓液氮在77 K溫度沸騰蒸發(fā)，冷卻循環(huán)側(cè)的帶壓液氮，使之保持一定的過冷度。背壓杜瓦和文丘利管的功能是保持液氮泵吸入口的基礎(chǔ)壓力，防止泵葉輪發(fā)生氣蝕，同時可為循環(huán)側(cè)補液。該流程運行穩(wěn)定，可提供大的制冷負荷，適用于大型熱沉以及熱負載較大的熱沉，熱沉溫度均勻性易于保證；缺點是系統(tǒng)復雜，閥門多，從啟動模式到穩(wěn)定運行模式的切換需要熟練的操作經(jīng)驗。

圖8 帶背壓杜瓦的單相密閉過冷器循環(huán)流程原理圖Fig.8 Cycle process of liquid nitrogen single-phase closed supercooler with back pressure dewar

圖9 帶文丘里管單相密閉過冷器循環(huán)流程原理圖Fig.9 Cycle process of liquid nitrogen single-phase closed supercooler with Venturi tube

為了降低流程啟動的難度，使之適合自動啟動，對該流程進行了改進，如圖10所示。在背壓杜瓦處設(shè)置了一條旁路，啟動階段液氮走旁路，背壓杜瓦串連在泵循環(huán)通路中起氣液分離器的作用，保證液氮泵能夠吸入全液相；待循環(huán)側(cè)蒸氣基本排凈，液氮泵穩(wěn)定運轉(zhuǎn)時，再關(guān)閉旁路啟用背壓杜瓦模式。改進流程可以十分容易地實現(xiàn)流程的自動啟動，降低了操作的難度。蘭州空間技術(shù)物理所研制的ZM5600和KM6500設(shè)備應用該改進流程實現(xiàn)了流程自動啟動運行。

圖10 改進型單相密閉過冷器循環(huán)流程原理圖Fig.10 Improved cycle process of liquid nitrogen single-phase closed supercooler with back pressure dewar

2.1.5 液氮減壓蒸發(fā)流程

在一些特殊場合，為了獲得更低的熱沉溫度，可以應用圖11和圖12的液氮減壓蒸發(fā)流程。該流程在過冷器排氣口抽氣，以降低蒸發(fā)側(cè)液氮沸騰溫度，從而將循環(huán)側(cè)的液氮冷卻至更低溫度。液氮三相點溫度為63.15 K，蒸氣壓為12.53 kPa，故采用真空泵使液氮蒸發(fā)壓力維持在101 kPa到15 kPa之間，可以獲得從64～77 K的蒸發(fā)溫度。

圖11 液氮減壓蒸發(fā)泵循環(huán)流程Fig.11 Liquid nitrogen vacuum evaporation process with pump cycle

圖11是在單相密閉過冷器循環(huán)流程的基礎(chǔ)上，在過冷器排空口增加了抽氣裝置以實現(xiàn)液氮減壓蒸發(fā)，該流程適用于小型環(huán)模設(shè)備。大型環(huán)模設(shè)備氮氣蒸發(fā)量巨大，使用該流程時會造成抽氣機組龐大，經(jīng)濟性不佳。需要注意的是該流程中液氮泵的輸入的軸功轉(zhuǎn)化的廢熱是一項很大的熱負荷，會使過冷器的蒸發(fā)量急劇增加，從而增加真空系統(tǒng)的抽氣負荷。因而，在滿足換熱流量需求的前提下，選擇的液氮泵流量和揚程應盡量小，以降低泵軸功輸入帶來的額外熱負荷。

為了避免圖11所示流程液氮泵軸功輸入造成的熱負荷，可以采用圖12所示的流程。該流程的循環(huán)原理為：儲槽中的飽和液氮在氣枕壓力驅(qū)動下進入過冷器換熱器內(nèi)，與過冷器蒸發(fā)側(cè)的減壓蒸發(fā)液氮進行換熱，使換熱器內(nèi)液氮溫度降至70 K以下。該過冷液氮再對熱沉進行冷卻，被熱沉加熱后經(jīng)節(jié)流閥降壓，再流入過冷器蒸發(fā)側(cè)完成循環(huán)。此流程穩(wěn)定運行的關(guān)鍵在于兩點：一是根據(jù)所需熱沉溫度控制好過冷器蒸發(fā)壓力；二是控制好節(jié)流閥的節(jié)流壓差和輸入換熱器的液氮量。

圖12 液氮減壓蒸發(fā)開式循環(huán)流程Fig.12 Open cycle process of liquid nitrogen vacuum evaporation

2.1.6 氣氮循環(huán)調(diào)溫流程

空間環(huán)模設(shè)備的熱沉除了模擬空間100 K冷黑背景外，有時還須要維持在100～473 K的某一溫度值，以完成試驗載荷的各種熱試驗。氮氣是可以勝任在如此寬范圍內(nèi)控溫的工質(zhì)，經(jīng)過多年實踐，已經(jīng)研究出性能優(yōu)良、經(jīng)濟性好的氣氮循環(huán)調(diào)溫流程。圖13[24]、圖14[25]給出了兩種氣氮循環(huán)調(diào)溫流程。流程采用氮氣作為循環(huán)工作介質(zhì)，通過風機使氮氣在密閉循環(huán)系統(tǒng)中循環(huán)流動，冷卻或加熱熱沉，使熱沉在100～473 K寬范圍調(diào)溫；高溫循環(huán)時采用電加熱器對氮氣進行加熱控溫，低溫循環(huán)時采用液氮對氮氣進行冷卻控溫；利用回熱器回收流出熱沉的氮氣冷量（或熱量），降低流程能耗和運行成本；同時，回熱器的使用使得進入循環(huán)風機的氮氣處于常溫狀態(tài)，改善了風機的使用環(huán)境，提高了風機的運行可靠性；由于循環(huán)所需的壓差較?。ㄒ话阍?.05 MPa以內(nèi)），采用壓比1.2左右的高轉(zhuǎn)速離心風機作為循環(huán)風機，在0.1～0.6 MPa壓力下循環(huán)氮氣，使氮氣的密度和雷諾數(shù)（Re）增大，從而增大換熱系數(shù)，提高熱沉的升降溫速率（一般不小于1 K/min），更好地滿足空間環(huán)境模擬試驗的需求。此循環(huán)中蒸發(fā)的氮氣均以常溫狀態(tài)排出，液氮的蒸發(fā)潛熱和絕大部分顯熱被充分利用，可利用的冷量比液氮潛熱增加近一倍；熱沉冷卻工況風機壓縮熱被冷卻水帶走，不額外消耗液氮。廢氮氣常溫狀態(tài)排出對環(huán)境不造成影響。

圖13 氣液混合式氣氮循環(huán)調(diào)溫流程Fig.13 Vapor-liquid mixture gas-nitrogen cycle temperature regulation process

圖13和圖14兩個流程的區(qū)別主要在于圖13所示流程在制冷工況下會間斷排氣，造成循環(huán)壓力波動；圖14流程的制冷循環(huán)穩(wěn)定，但由于增加了液氮換熱器，并且要使用三通道回熱器，流程復雜程度和設(shè)備投資相對增加。圖13流程在國內(nèi)小型、中型和大型空間環(huán)模設(shè)備上均獲得了應用。有用戶將此流程應用在熱沉100 K模式下長期穩(wěn)定運行，熱沉性能與單相密閉過冷器流程熱沉性能相當。國外的氣氮調(diào)溫流程一般不用回熱器，風機可以在高溫、常溫和低溫工況下工作，如圖15所示。但筆者認為，采用回熱器、風機一直在常溫工況下工作的流程，在液氮冷量利用效率等方面更有優(yōu)勢。

圖14 氣液換熱式氣氮循環(huán)調(diào)溫流程Fig.14 Vapor-liquid heat transfer gas-nitrogen cycle temperature regulation process

圖15 無回熱器氣氮循環(huán)調(diào)溫流程Fig.15 Gas-nitrogen cycle temperature regulation process without regenerator

2.2 20 K溫區(qū)熱沉的冷卻流程

在地球軌道運行的航天器的表面溫度在300 K左右，故以100 K的熱沉溫度模擬3 K的宇宙背景所帶來的誤差在1%以內(nèi)[1]。而在深空探測和一些如低溫光學系統(tǒng)等試驗中，100 K熱沉已無法滿足要求，熱沉溫度必須達到20 K或更低。因此，必須采用相應的技術(shù)途徑。

2.2.1 開式液氦冷卻流程

開式液氦冷卻流程與前述開式液氮冷卻流程基本相同，由液氦熱沉、液氦儲槽、杜瓦管路和超低溫閥門等組成。開式液氦冷卻流程簡單可靠，工藝成熟，可獲得10 K以下熱沉溫度。但該流程液氦消耗量巨大，且無法循環(huán)利用，導致試驗成本高昂。為了減少熱沉在降溫過程中的液氦消耗量，應先將液氦熱沉用液氮預冷至90 K以下，然后排空，再用冷氦氣將熱沉內(nèi)殘留液氮吹干凈；用冷氦氣吹掃置換熱沉中殘留的氮氣，之后再注入液氦，逐漸將熱沉溫度降至所需溫度[26]。北京航空航天大學宇航學院為了進行發(fā)動機羽流試驗研究，建造了直徑4.1 m、總長9.9 m的液氦熱沉，采用開式液氦冷卻流程，液氦熱沉表面平均溫度低于10 K，最低可達4.2 K。發(fā)動機羽流試驗時，預冷消耗了2 500 L液氦，穩(wěn)態(tài)工況下的液氦耗量為2.9 L/s（362.5 g/s）。800 s的發(fā)動機羽流試驗需要約5 000 L液氦[27]，液氦消耗量巨大。

2.2.2 大型氦制冷系統(tǒng)冷卻流程

對于頻繁運行的大型20 K熱沉，較合理的方案是采用基于逆布雷頓循環(huán)和焦耳-湯姆遜效應的大型氦低溫制冷系統(tǒng)作為熱沉的冷卻手段。該制冷系統(tǒng)可以在4～20 K間提供數(shù)十千瓦穩(wěn)定的冷量。采用圖16所示液氮預冷兩級膨脹氦氣冷卻流程可以將熱沉冷卻到10 K以下；采用圖17所示液氮預冷兩級膨脹液氦冷卻流程可以將熱沉冷卻至4 K左右。

圖16 液氮預冷兩級膨脹氦氣冷卻循環(huán)流程Fig.16 Liquid nitrogen pre-cooling two-stage expansion helium gas cooling cycle process

圖17 液氮預冷兩級膨脹液氦冷卻循環(huán)流程Fig.17 Liquid nitrogen pre-cooling two-stage expansion liquid helium cooling cycle process

2.2.3 小型低溫制冷機冷卻

對于尺寸在1 m以下的小型熱沉，可采用商品化的兩級GM制冷機達到很好的冷卻效果。該冷卻流程有兩種方式：一種是將熱沉直接安裝在GM制冷機的二級冷頭上，利用導熱方式降低熱沉溫度；另一種方法是采用低溫循環(huán)風機，建立獨立于制冷機循環(huán)的氦氣循環(huán)系統(tǒng)[37]，將數(shù)臺制冷機的冷量通過循環(huán)氦氣傳輸至熱沉，對熱沉進行冷卻，如圖18所示。

圖18 GM制冷機氦氣循環(huán)冷卻原理圖Fig.18 Helium cycle cooling process with GM crycooler

2.3 蒸氣壓縮循環(huán)制冷控溫流程

許多小型熱真空環(huán)模試驗設(shè)備要求熱沉溫度在203～423 K（-70～150℃）內(nèi)可調(diào)，為此，大量應用了復疊式蒸氣壓縮循環(huán)制冷對熱沉進行控溫。

2.3.1 二級復疊制冷-載冷介質(zhì)循環(huán)流程

采用二級復疊蒸氣壓縮制冷循環(huán)，制冷溫度可達193 K（-80℃）左右。近年來，隨著寬溫區(qū)導熱介質(zhì)全氟聚醚和硅油（傾點不高于193 K，沸點可達453 K（150℃））的應用，成功開發(fā)了一種采用二級復疊制冷，導熱介質(zhì)對熱沉調(diào)溫的流程，可將熱沉在203～423 K內(nèi)任意溫度點精確控溫，控溫精度優(yōu)于1 K，如圖19所示。在流程中，熱沉依賴復疊機組的低溫級蒸發(fā)器制冷獲得低溫，采用電加熱器進行高溫控溫。由于對復疊機組采取了一系列完善的控制策略，熱沉從高溫423 K到低溫的降溫過程直接采用制冷機冷卻，制冷機運轉(zhuǎn)穩(wěn)定，不會出現(xiàn)超壓或超溫現(xiàn)象，溫度控制精度較高。有一些采用復疊制冷的環(huán)模設(shè)備以無水乙醇作為載冷介質(zhì)，但由于無水乙醇沸點低、易揮發(fā)、易燃，只能在低溫工況對熱沉進行控溫，目前已經(jīng)很少采用。

圖19 二級復疊制冷-載冷介質(zhì)循環(huán)流程Fig.19 Two-stage cascade refrigeration-secondary cooling medium cycle process

2.3.2 自復疊制冷直冷循環(huán)流程

對于一些限制應用液氮冷卻的小型設(shè)備，為了使熱沉能達到123～143 K的溫度，采用了如圖20所示的多級自復疊制冷流程，將熱沉作為制冷系統(tǒng)的蒸發(fā)器，制冷工質(zhì)直接在熱沉管路中循環(huán)。該流程的優(yōu)點是熱沉可達到較低的溫度，不依賴于液氮供應；缺點是熱沉溫度均勻性較差。

圖20 自復疊制冷直冷流程Fig.20 Direct cooling process of auto-cascade refrigeration

3 總結(jié)與展望

（1）經(jīng)過多年發(fā)展，100 K熱沉冷卻技術(shù)已十分成熟，有多種流程可供選擇。工程應用中應根據(jù)環(huán)模設(shè)備功能需求和規(guī)模，優(yōu)選技術(shù)合理、組成簡單、運行可靠、維修方便的流程方案。在滿足功能的前提下，配合熱沉結(jié)構(gòu)的優(yōu)化，應該優(yōu)先考慮采用開式液氮流程、重力供液流程以及回熱式氣氮循環(huán)等流程，盡可能降低液氮用量和損耗。

（2）隨著傳感器技術(shù)、控制技術(shù)的進步和熱沉設(shè)計制造技術(shù)的創(chuàng)新，開式液氮流程和重力供液流程在大型空間環(huán)模設(shè)備上可以得到很好的應用，在保證設(shè)備功能性能的前提下可大幅降低設(shè)備造價、運行成本和維護成本。

（3）在深空探測需求的牽引下，對深低溫20 K溫區(qū)熱沉冷卻流程的需求會逐漸旺盛，在此方面的研究工作十分重要。隨著標準低溫制冷機產(chǎn)品的成熟和成本降低，GM制冷機等在深低溫熱沉降溫冷卻方面的應用潛力較大。