液氦温区小型节流制冷机发展现状及趋势

周振君 王 娟 梁惊涛

(1中国科学院理化技术研究所空间功热转换技术重点实验室 北京 100190)

(2中国科学院研究生院 北京 100190)

1 引言

低温技术的含义是指用各种获得低温的方法使气体液化或者使某一物体或空间达到并维持所需要的温度，所涉及的温度领域一般在120 K以下(0.3 K以下称为超低温领域)，广泛应用于工农业生产、国防建设、生物、信息等领域［1-2］。

利用实际气体的焦耳-汤姆逊效应的节流制冷技术是低温制冷技术中发展最早、应用最早的一种成熟的制冷技术之一，早在19世纪末工业界就开始应用节流技术来进行气体液化。现在，由于节流制冷技术易于微型化、结构简单、在低温端无运动部件、运行可靠等优点，因而被航空航天、军工用来作为红外探测元件和导弹制导装置的冷源，还经常应用于某些制冷系统的最后一级［3］。

2 节流膨胀原理及节流制冷器

英国科学家Joule和Thomson在19世纪50年代首先研究了气体从高压等焓膨胀到低压从而导致温度降低的现象。气体在高压下流经管道中的小孔使压力显著降低的过程称为节流。当气体在管路中遇到缩口或调节阀门时，由于局部阻力将使其压力显著下降，而此时气体来不及与外界进行热交换，此过程即为绝热节流。气体节流前后的能量保持不变，即节流前后焓相等。理想气体的焓只是温度的函数，因此理想气体在节流前后的温度不变。但对于实际气体来说，等焓节流前后温度将发生较大的变化，即焦耳-汤姆逊效应［2，4］。

2.1 微分节流效应和积分节流效应

J-T节流效应分为微分节流效应和积分节流效应。气体节流时温度变化和压力的降低成一定的比例，即 μ=()，其中:μ 为微分节流效应，反映HHH了压力的微小变化所引起的温度变化趋势。微分节流系数等于零的曲线为转化曲线，对应的压力为零的点为最高转化温度点。不同气体的最高转化温度列于表1中，对于最高转化温度低于室温的气体，必须通过膨胀机或者其它的方法将之预冷到低于最高转化温度的温度，通过节流才能降温［4］。

表1 不同气体的最高转化温度Table 1 Top transition temperature of different gas

积分节流效应是指气体在某一压降的范围内，节流所产生的温度变化，可由下式计算:ΔT=T2-T1。式中:T1和T2分别为节流前后的温度;p1和p2分别为气体节流前后的压力，为在某一压降范围内μH的平均值。当工质节流前的初始状态和终了状态都处在转化曲线μH＞0区域内时，积分节流效应为正值，节流后工质的温度降低;当工质节流前的初始状态和终了状态都处在转化曲线μH＜0区域内时，积分节流效应为负值，节流后工质的温度升高［4］。

2.2 节流制冷器

2.2.1 微型节流器的结构

节流级换热器、节流器件、蒸发器及各部分之间的连接管组成的系统叫做节流制冷器。在J-T节流制冷器中，高压气体通过节流阀等焓膨胀到低压，使流体的温度得以降低产生制冷效应［2，4］。节流制冷器主要由节流装置和热交换器两部分结构组成。

(1)节流装置。节流装置在微型冷却器中的作用是降压获取低温，完成循环中的节流过程。节流元件通常是微孔，多孔粉末冶金片、毛细管以及在工作过程中可全部或部分自动改变孔径的小孔。

(2)热交换器。热交换器的作用是完成高压正流气体与低压返流冷气体及预冷却工质间的换热，达到冷却高压正流气体，回收返流气体冷量的目的。

2.2.2 单级节流制冷系统

单级节流制冷器原理示意图如图1所示。高压气瓶内储存的制冷工质被等温压缩进气瓶，如图1b中0-1所示。制冷时打开阀门，高压气体从气瓶流出进入制冷器，在热交换器内与回流气体等压热交换后温度降低至2点，用1-2表示。接着高压气体经过节流阀产生制冷后压力降低即2-3过程，回流的气体在热交换器与高温气体热交换温度升高，理想状态下温度可回到T0，即5-0过程。

3 液氦温区小型制冷机发展现状

为了减少微型制冷系统的制冷时间，常采用带有预冷级的节流制冷器。通过预冷级的预冷，使工质在进入节流级前的温度更低，从而使得节流后的温度达到工作器件所需要的工作温度，缩短启动时间［5］。目前各国所采用的带J-T节流循环的低温制冷系统均有预冷级。首先分析当前国外正在研制的低于10 K温区的各种制冷机的性能、进展及有关情况。

图1 单级开式/闭式节流制冷器原理图Fig.1 Single stage open-close throttling cryocoolers

3.1 2级25 K斯特林预冷J-T制冷机

图2 是1991年前后RAL与ESA合作2级25 K斯特林预冷的J-T节流循环制冷机，以氦作为制冷工质，制冷温度为4 K。两台压缩机采用线性布置以抵消震动，压比可达到 11，质量流量 3 mg/s［6］。

图2 RAL与ESA合作研制的4 K制冷机Fig.2 RAL＆ESA 4 K cryocooler

高压气体在套管式热交换器的内管流动，回流冷气在外管内流动同时与高压气体换热使其温度降低。最低温度达到4.05 K。在4.2 K时有1.5 mW的制冷量，预冷级的输入功率低于70 W，J-T压缩机消耗59 W(总输功率低于130 W)。J-T循环中加入纯化器以去除杂质气体。

3.2 闭式4 K J-T循环制冷机

闭式4 K J-T循环制冷机的设计和开发是欧洲航天局超远红外太空望远镜和PLANCK的发射任务之一，这里提到的4 K节流制冷机项目启动于1995年如图3所示。其设计性能要求为＞9 mW@4.2 K，在布置上要求预冷级/冷级与J-T压缩机之间的距离为2 m，制冷机在3个方向上要分别容许±7.5 mm的位移［7］。4 K制冷机模型整体包括以下几个主要部件:2级20 K斯特林预冷级;J-T热交换器;两台J-T压缩机;支撑结构;其它，如控制阀，气体净化器和过滤器。

图3 ESA FIRST/PLANCK 4 K制冷机Fig.3 ESA FIRST/PLANCK 4 K cryocooler

在J-T阀膨胀之前，高压氦气通过安装于辅助设备面板上的气体过滤器，然后再通过热交换器，热交换器经预冷级预冷后进出口温度分别为150 K和20 K。150 K与20 K之间及20 K与4 K之间的热交换器包括一米长的盘管，高压气体在小孔径管道流通，回流冷气在较大孔径管中流通。另外在J-T循环中有一旁通管路来增加高温气体流量以加速冷却。高压和低压J-T压缩机作为一平衡对安装于支撑结构里面。

3.3 10 K 制冷机

Ball公司与美国空军实验室2000年前后合作开发的高性能、高效率、长寿命应用于超长波红外设备的10 K空间制冷系统工质为4He，它由15 K斯特林预冷机与J-T节流循环组成，制冷温度为10 K，制冷量为100 mW［8］。节流装置采用了具有防堵塞功能的J-T节流阀和简易套管式热交换器，如图4和图5所示。热交换器是与预冷级的设计密切联系在一起的，此系统可以配备一台小型预冷级和高效率热交换器，或者配一个合适的热交换器和较大的预冷级。在这个制冷系统中有4个热交换器，其整体效率超过99%。

图4 简易套管式热交换器Fig.4 Simple tube-in-tube Cooler heat exchanger

3.4 ACTDP 制冷机

针对深空探测等需求，2002年美国国家航空航天局启动了先进制冷机技术开发项目(ACTDP)，这个项目主要在已经成功开发的斯特林，脉冲管及布雷顿技术的基础上制造6 K/18 K两级制冷机［9］。4家公司与NASA签署协议分别制造所需制冷机。每台制冷机要求能在6 K/18 K分别提供7.5—40 mW/100—200 mW的制冷量。其中采用节流技术的有以下几种方案。

图5 防堵塞J-T节流阀Fig.5 Cooler J-T valve，which has sophisticated anti-plugging features

Ball公司制冷机:Ball公司制冷机利用三级斯特林制冷机预冷线性压缩机驱动的J-T节流循环。压缩机与低温热载距离为3 m，使低温工作部件(探测器等)免受压缩机产生的震动及电磁干扰影响，节流循环可以提供6 K/18 K远程冷量。整个制冷系统总重量为27 kg，输入功率大约150 W。三级预冷节流方案能够为离压缩机20 m外的低温设备提供冷量。预冷后温度为15 K，节流后制冷温度为4—6 K/18 K，设计性能为电机功率125 W，30 mW@6 K，20 mW@4 K，150 mW@18 K，实际测试性能为35 mW@6 K，21 mW@5 K，12 mW@4 K［10］。其方案布置图如图6所示。

TRW公司制冷机:TRW公司制冷机采用三级脉冲管制冷机预冷线性压缩机驱动的J-T节流方案，如图7所示。热载与压缩机分开一定的距离，使低温工作部件(探测器等)免受压缩机产生的震动及电磁干扰影响，节流循环可以提供6 K/18 K两个温区的远程冷量。制冷系统总质量约为17 kg，输入功率大约207 W，但需要85 K提供2 W的辐射制冷器的帮助。

最终TRW的制冷机被选中用于MIRI。MIRI以后的发展将致力于提高制冷量及效率，并要实现2 K的低温。住友重工已经研制出10 mW@1.7 K的制冷机并将用于冷却SPICA设备［11］。

图7 TRW制冷机Fig.7 TRW cryocooler

3.5 SPICA节流制冷机

SPICA是日本宇宙航空研究开发机构和美国国家航空航天局、欧洲太空总署的合作项目，它将取代AKARI［12］红外望远镜，成为新一代的中远红外波段望远镜。SPICA将和以近中红外波段为主要观测区间的詹姆斯-韦伯太空望远镜(JWST)在红外太空观测项目中形成互补之势［5，13］。SPICA计划在2009年仍然处于会议讨论阶段［8］。预计SPICA将在2017年由日本H-2A运载火箭发射升空，并与JWST一样放置于地球背向太阳的后面150万千米的第二拉格朗日点［11］。

SPICA上的制冷系统有两台独立的J-T机械制冷机，工质分别为3He和4He，它们由20 K斯特林制冷机预冷。4He节流循环制冷温度为4.5 K，设计热负荷为28 mW，实验所测得的制冷机性能为50 mW@4.4 K，压缩机输入功率145 W。3He节流循环制冷温度为1.7 K，设计热负荷为5 mW，实验所测得的制冷机性能为 16 mW@1.7 K［14］，压缩机输入功率166 W。

4 液氦温区小型节流制冷机的发展趋势

(1)向大冷量及多工作温区发展。随着红外焦平面向长线列、大面阵发展，要求的制冷量越来越大，而且也需要同时冷却镜头、滤光片等光学器件以减少干扰。

(2)向微型化、低功耗发展。微型化、轻量化可以有效降低低温制冷机总重量，减少压缩机输入功耗。

(3)向超长寿命、超可靠性发展。近年来特别是受导弹防御计划的牵引，液氦温区小型节流制冷机的寿命趋近于十年甚至更高。脉冲管、斯特林等预冷的节流制冷具有本征寿命长、具有高可靠性的制冷技术将得到进一步发展。

(4)向极低温发展。机械制冷温度将逐渐趋近液氦温度，将来不需要再携带液氦上天，从而突破液氦蒸发带来的寿命限制，并大大减轻体积重量成本。如何进一步提高效率，减少功耗，减少振动干扰将是研究的重点。

5 总结

节流制冷机以其结构简单、无运动部件等优点，在航天科技，军事领域中的优势日益突显，脉冲管制冷技术也具有在低温下没有运动部件等优点，因此，与其它制冷方式相比，将脉冲管与节流器耦合制冷技术具有明显的优势，也正越来越受到更多国家和地区的重视。国内研究可以借鉴国外相对成熟的低温节流制冷技术，如TRW公司的三级脉冲管制冷机预冷线性压缩机驱动的J-T节流方案为研究提供经验。在借鉴国外已有制冷方案的同时密切结合国内的应用发展需要，相信中国在液氦温区小型节流制冷技术方面会很快走进世界先进行列。

1 杨海明.节流制冷器的优化设计及实验研究［D］.合肥:合肥工业大学，2002.

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3 陈国邦，汤 珂.小型低温制冷机原理［M］.北京:科学出版社，2010，328-354.

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6 陈晓屏.微型低温制冷技术的现状和发展趋势［J］.红外与激光工程，2008，37(1):50-54.

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11 Glaister D S，Gully W，Ross R G Jr，et al.Aerospace 4-10 K space cryocoolers［J］，Cryocoolers，2004(13):1-7.

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14 Scull SR，Jones B G，Bradshaw T W，et al.Design and Development of a 4 K Mechanical Cooler［J］.Cryocoolers，1999(10):513-519.