液氦温区预冷型J-T制冷机降温旁通研究进展

向振之，张华，刘少帅，蒋珍华，汤逸豪

（1-上海理工大学，上海 200093；2-中国科学院上海技术物理研究所，上海 200083）

0 引言

量子超导干涉器件（SQUID）、空间红外探测、毫米波与亚毫米波探测以及宇宙背景探测等空间探测器的工作温度在液氦温区及mK 级温区，其中为获得mK 级温区的制冷需要用液氦温区制冷机为其提供预冷[1-6]。预冷型J-T 制冷机具有寿命长、结构紧凑、效率高、可靠性好等优点，已逐步成为空间液氦温区制冷技术的研究热点。目前已发射和在研的所有搭载液氦温区机械式制冷机的空间探测任务中均采用了预冷型J-T 制冷机[7-8]。

预冷型J-T制冷机由预冷制冷机与J-T制冷机组成。预冷制冷机一般采用斯特林制冷机（Stirling）、脉冲管制冷机（Pulse Tube）和GM 制冷机等为其提供预冷。J-T 制冷机由多级间壁式换热器（HX）、节流部件（VAL）和蒸发部件（EVA）等组成。为使氦气实现节流制冷，需将氦气温度the预冷至43 K(4He)/34 K(3He)的转换温度（ inversion temperature，tinv）以下[8-10]。一般液氦温区J-T 制冷机需花费大量时间预冷将蒸发节流单元（EVA-VAL）与节流前the冷却到tinv以下。空间探测器如果遇见特殊情况例如制冷机需要启停机时，则需要花费大量时间，势必影响空间探测任务正常进行。

近年来，研究人员针对缩短J-T 制冷机预冷时间做了大量研究，这些研究都有力推动了液氦温区J-T制冷机的发展。本文分析并讨论了影响J-T 制冷机预冷时间的原因和降温旁通结构的实际应用案例。

1 预冷降温时间

1.1 预冷降温时间

美国BALL 空间技术公司（Ball Aerospace & Technologies Corp，BALL）2007年报道了一款为詹姆斯·韦伯望远镜（James Webb Space Telescope，JWST）中波红外探测器（The Mid Infrared Instrument，MIRI）设计的一款三级斯特林制冷机提供预冷的6 K级J-T 制冷机[11]。BALL 公司2011年报道了一款为未来机载应用和空间观测设计的一款两级斯特林制冷机提供预冷4 K 级J-T 制冷机[12]。表1为BALL公司两款制冷机预冷降温时间。

上述两款制冷机在降温的初始阶段均使用旁通模式使初始降温时间大大缩短。当J-T 制冷机中的末级换热器（HXN）、蒸发节流单元（EVA-VAL）和相应管路中的the均冷却至tinv以下时可关闭旁通模式，并切换至J-T 循环模式开始进行J-T 制冷过程。一般关闭旁通模式的温度为20 K 左右。因为氦气在25 K～43 K 等焓曲线近乎水平，微分节流系数很小、节流效应不明显，在25 K 以下微分节流系数逐渐变大。从T-S 图可以看出，当节流前the为7.8 K 时，经等焓节流可以降低至4.2 K[13]。

表1 BALL 公司J-T 制冷机预冷性能

1.2 预冷降温时间的影响因素

为使液氦温区J-T 制冷机产生节流制冷效应，需要花费大量时间将VAL、EVA 及相应管路等部件预冷至tinv以下。目前对影响预冷降温时间的研究主要集中在间壁式换热器（HX）换热效率ε和氦气流量fhe。

1.2.1 间壁式换热器（HX）对降温速率的影响

J-T 制冷机一般采用螺旋套管型间壁式换热器[8]（图1所示），其作用是通过内管和外管之间环状管道中的低压氦气来预冷内管中的高压氦气。图2为换热器效率ε对制冷量的影响，表明高效率的换热器可充分利用低压回流氦气的冷量，减少对预冷制冷机冷量的需求[14-15]，提升ε可显著提升J-T 制冷机性能[16]。但在预冷阶段，tEVA-VAL和节流前the均高于tinv，来流氦气流经VAL 后将会被加热，并流入HX内管和外管之间的环状管道。此时来流氦气将会被回流氦气加热，使节流前the持续升高，进一步恶化降温过程。

此外，HX 一般采用无氧铜或者不锈钢作为材料，图3表示了316 不锈钢与无氧铜温度与比热的关系，其数值由NIST 物性软件查询得到。由图3可知，随着温度降低，不锈钢和无氧铜的比热将降低。即随着降温过程的推进，HX 比热将降低，HX降温速率加快。

图1 螺旋套管换热器

图2 管换热器效率对制冷量的影响[15]

图3 无氧铜与316 不锈钢的温度与比热的关系

在初始降温阶段，被节流制热的氦气加热来流氦气，使得HX 降温过程变缓慢；其次，由于HX 材料比热随着温度的降低而增大，故在初始降温阶段，J-T制冷机系统降温速率极其缓慢。

1.2.2 氦气流量（fhe）对预冷降温的影响

在预冷阶段，HX 中氦气的流动换热起主要降温作用。当J-T 循环管路中fhe越大，由氦气流动换热带来的温降越大，HX 降温速率越快。式1 为流经VAL 时的fhe公式[8]。当氦气流经VAL 时，由于流道突缩，带来的局部阻力限制着J-T 循环管路中fhe，氦气的密度随着温度的降低而增大。fhe随着温度降低而增大，J-T 循环管路的降温速率随温度降低而增大[12]。

式中：

fhe——通过节流孔的流量，kg/s；

F——节流孔出口处的横截面积，m2；

k——气体的绝热指数，氦气绝热指数为1.67；

p——节流前气体压力，Pa；

ρ——节流前的气体的密度，kg/m3。

2 降温旁通

末级间壁式换热器（HXN）的换热效率ε和J-T循环管路中fhe对J-T 制冷机预冷阶段降温时间影响较大。研究人员通过设置降温旁通，可以显著减少预冷降温时间。

降温旁通的形式主要有两种，第一种是在预冷阶段减小管路中的局部阻力、增大管路中的fhe。通过布置一个平行于VAL 的支路，让氦气绕过VAL，避免VAL 限制管路中fhe。第二种是在预冷阶段避免初始温度较高和被节流加热的氦气进入HXN 中加热来流方向低温氦气。通过布置旁通支路让氦气不流经HXN的内管或内管与外管之间的环形通道，依靠氦气流动换热和辐射换热让J-T 循环管路的温度降低至tinv以下。

基于这两种旁通结构的布局形式，目前降温旁通的布局主要有4 种，分别介绍如下。

2.1 旁通HXN 高压侧管路ab 和VAL

第1 种降温旁通结构为在HXN 来流进口a 和VAL 出口f 设置旁通支路，其布局如图4所示。此时，J-T 循环管路中的氦气主流绕过HXN 高压侧通道ab 与VAL，通过低温来流氦气的流动换热将HXN 低压侧通道cd 与EVA 迅速冷却，再依靠热传导与热辐射将HXN 高压侧通道ab 与VAL 冷却降温至tinv以下。

第1 种旁通结构中氦气绕流ab 段和VAL，一方面可增大J-T 循环管路中fhe，使氦气流动换热带来温降变剧烈，加速J-T 制冷机预冷降温过程。但另一方面ab 段和VAL 是氦气节流相变关键部件，其降温时间直接影响了J-T 制冷机预冷降温时间。ab 段和VAL 依靠导热和辐射进行冷却降温，降温速率较为缓慢。当进行J-T 节流制冷时，旁通支路将连接10 K 级的a 和4 K 级的f，使ta通过旁通管路和管路中氦气的导热传递至f，影响进入EVA 中液氦的温度和干度，进而影响制冷性能。

1978年美国Air Products and Chemicals 公司（APCI）的GM/J-T 制冷机设计方案中首次提出采用旁通HXN 高压侧通道和VAL 加速降温的方法，该款制冷机可在4.2 K 提供2 W 冷量[17-18]。表2汇总了目前在研和已应用的空间液氦温区J-T 制冷机中采用第1 种降温旁通结构的项目。

图4 第1 种降温旁通布局图

表2 使用第1 种旁通结构空间用液氦温区J-T 制冷机

2.2 旁通EVA 和HXN 低压侧管路cd

第2 种降温旁通结构方式为在VAL 出口f 和HXN低压出口d设置旁通支路，其布局如图5所示。此时，J-T 循环管路中的氦气不流经HXN 低压侧通道cd 和EVA，而依靠低温来流氦气的流动换热将HXN 高压侧通道ab 与VAL 迅速冷却，再依靠热传导与热辐射对HXN低压侧通道cd与EVA冷却降温。

NASA的JWST计划中的MIRI部件最终中标方案为NGST设计的三级脉冲管预冷J-T制冷机[35-36]，2011年报道该款制冷机性能为68 mW@6.2 K 和153 mW@18 K[37-40]。在NGST对该款制冷机早期的设计中，采用了第1种旁通结构。但是第1种旁通结构布局中，低温来流氦气不流经HXN高压侧通道ab和VAL，该部分的预冷降温依靠HXN管路的热传导和热辐射实现。在第2种旁通结构中J-T循环管路的氦气直接流经HNX高压侧通道ab和VAL，该部分的预冷降温由低温氦气的流动换热实现，其降温速率大大提升。由式1可知，随着降温过程的进行，fhe将增大，有助于减小由于tinv以上节流，产生制热效应而对系统降温所带来的不利影响。当进行J-T节流制冷时，与第1种旁通结构相比，td＜ta，将减少对节流后液氦状态的影响。

图5 第2 种降温旁通布局图

2.3 旁通VAL 和HX 低压通道ch

第3 种降温旁通结构方式为在HXN 高压侧出口c 设置旁通支路，氦气将不流经VAL 和HX 低压侧管路ch 而直接旁通至HX1 低压侧管路出口h，其布局如图6所示。此时，低温氦气的流动换热将HXN 高压侧通道ab 迅速冷却，再依靠热传导与热辐射将HX 低压侧通道ch、VAL 与EVA 冷却降温。

荷兰特温特大学（University of Twente）为中红外电子超大型成像仪和光谱仪（the Mid-infrared E-ELT Imager and Spectrograph，METIS）的实际需求[41-42]设计一款8 K级吸附式J-T制冷机，为METIS的光学部件提供冷却，该款J-T 制冷机由氖气和氢气为工质气体的J-T 制冷机进行前级预冷，最终性能约为400 mW@8 K[43]，该款制冷机采用了第3 种降温旁通结构。

采用第3 种降温旁通结构的液氦温区J-T 制冷机，可将HX 低压侧和VAL 对氦气流动的阻碍等不利影响克服，使进入VAL 前低温氦气所需流经的管路温度迅速冷却设定温区。但上例中旁通支路的旁通阀设置在高低温区，为了减少因旁通支路连接eh而带来的冷量损失，需要对旁通管路分段进行预冷。如图6所示，EVA、一级预冷、末级预冷均对旁通支路进行了预冷降温，增大了预冷机和J-T 制冷机的冷量需求。

图6 第3 种降温旁通布局图

2.4 旁通HX 低压侧管路ch

第4 种旁通结构方式为在EVA 出口g 设置旁通支路，氦气将不流经HX 低压侧管路而直接旁通至J-T 循环管路外，其布局如图7所示。在此结构中，通过低温氦气的流动换热将HXN 高压侧通道ab、VAL 和EVA 迅速冷却，再依靠热传导与热辐射将HX 低压侧通道冷却降温。

2016年，浙江大学研制了一台开式循环4 K 级J-T 制冷机即采用了第4 种旁通结构，该款制冷使用两级GM 制冷机进行预冷，性能为60 mW@4.4 K[17]。

与上述3 种旁通结构相比，第4 种旁通结构是由EVA 出口g 旁通至系统外。上例为开式系统，可通过增大流量至fhemax的方式克服VAL 带来的流动限制和tinv以上节流制热的不利影响。在闭式系统中，fhe由压缩机提供。在J-T 循环中，由于低温下ρhe增大使fhe增大，实际所需的压缩机出口fhe远小于fhemax。为了实现预冷阶段所需fhemax而提升压缩机出口fhe是不经济的。由于旁通阀设置在高低温区或常温区，所以在J-T 循环过程中，旁通支路需要预冷机提供额外冷量进行预冷，故此结构适用于大冷量预冷的开式J-T 系统中。

图7 第4 种降温旁通布局图

3 结论

表3总结了当前在研和应用中的液氦温区J-T制冷机降温旁通结构的主要特点，本文详细介绍了表3所列出的4 种旁通结构和实际案例，分析了J-T制冷机预冷降温时间的影响因素，主要结论如下。

1）液氦温区J-T 制冷机已成为未来空间探测的研究热点，但过长的预冷降温时间严重制约了J-T 制冷机的使用。通过在合适的位置布局降温旁通支路，可以大幅度减少降温时间。

2）在设计旁通支路时，应综合考虑预冷量、布置位置、高低压结构、开/闭式循环等因素。

3）面向未来空间应用的液氦温区J-T 节流制冷机，其小型化、快速降温、快速响应等目标将得到进一步的研究和发展，特别是针对深低温应用背景的电磁阀和热开关（Thermal switch）的迫切需求。

表3 液氦温区J-T 制冷机降温旁通比较