液氦温区预冷型JT制冷机闭式循环实验研究

陈思凡李江道申运伟刘东立甘智华*赵志萍耑 锐张 亮

(1.浙江大学制冷与低温研究所，杭州310027；2.浙江省制冷与低温重点实验室，杭州310027；3.上海宇航系统工程研究所，上海201108；4.西湖大学工学院浙江省3D微纳加工和表征研究重点实验室，杭州310024；5.浙江西湖高等研究院前沿技术研究所，杭州310024)

1 引言

为降低背景噪声，提升探测灵敏度，大量空间探测器需在低温环境下工作，通常待探测信号的波长越长，探测器所需的温度越低[1]。尤其在对波长处于远红外线、毫米波和亚毫米波等信号的探测中，探测仪器需要4 K以下的稳定温度环境。因此液氦温区制冷技术是空间探测任务得以实现的关键技术[2]。在空间中获得液氦温区主要有液氦杜瓦和机械式制冷机2种技术路线。前者虽然可靠成熟，但运行时间受所携带液体量的限制，往往导致发射成本的增加[3]，而日益成熟的机械式制冷技术正在逐步替代杜瓦技术。

目前地面上常用的液氦温区GM型制冷机的压缩机需要定期更换吸附器，难以满足空间任务对长寿命的要求。而低温下氦工质的非理想性显著、回热器与氦工质换热不充分，致使高频的斯特林制冷机或斯特林型脉管制冷机在液氦温区的制冷效率急剧下降[4]。由于氦工质在液氦温区的等焓节流制冷效率较高，因此采用斯特林制冷机预冷的焦耳-汤姆逊(Joule-Thomson，JT)制冷机结合了2种制冷方式在不同温区下的优势，可获得较高的制冷效率。2种制冷机均可由线性压缩机驱动，采用板弹簧支撑及间隙密封技术，整机可满足长寿命的要求，已成为当今空间液氦温区主流制冷技术[5]。例如，Morgante等[6]研制的JT制冷机搭载在Planck卫星上于2009年发射，冷却高频探测器件并为mK级稀释制冷机提供预冷，该系统稳定运行4.5年直至任务完成。Narasaki等[7]、甘智华等[8]研制的两级斯特林制冷机预冷的JT制冷机于2009年被应用于SMILES中冷却亚毫米波探测器；此后Sugita等[9]对压缩机进行改进，采用板弹簧替换线性球轴承保证了间隙密封，公布的最佳性能为50.1 mW＠4.42 K，JT侧输入功率55.9 W(整机145.1 W)。刘东立等[10]的调研表明JWST选用了NGAS公司研制的三级斯特林型脉管制冷机预冷的JT制冷机来冷却其中的中红外探测仪器，该制冷机设计温度为6 K，未达到液氦温度。2009年Raab等[11]对该制冷机进行改进，公布的性能为50mW＠4.4 K，JT侧输入功率367 W，计划用于预冷EPIC项目中的绝热去磁制冷机。为了更好地发展空间探测技术，Quan等[12]于2014年研制了三级斯特林型脉管制冷机预冷的JT制冷机样机，公布的性能为11.6 mW＠4.54 K，JT侧输入功率22.7 W(整机473 W)，无负荷制冷温度为4.4 K。刘少帅等[13]于2018年采用带进排气阀的单级线性压缩机驱动预冷型JT制冷机实现了液氦温区制冷，公布的性能为10.8 mW＠4.09 K，无负荷制冷温度为3.91 K。

由于预冷型JT制冷机已成为空间探测中提供液氦温区冷量的主流技术，因此分析其内在机理、确定合理的工况点，包括预冷温度、压力工况等参数的选取准则是十分重要的。De Waele[14]给出了JT制冷机理论制冷量与高压压力的变化关系，从理论上揭示了JT制冷机制冷量受限的原理。刘东立等[15-18]通过长期理论与实验研究，给出了高压压力和预冷温度对液氦温区JT制冷机影响的本质原理，并通过开式实验测试了液氦温区JT制冷机在不同压力工况下的稳态制冷量特性、过载工况及失稳机理，并提出了考虑压缩机和预冷机实际性能的整机COP优化方法。然而和开式实验不同，闭式循环中压缩机工作状态与制冷量是一个相互影响的过程，本文基于自行研制的液氦温区JT制冷机测试平台，采用中科院上海技术物理研究所提供的线性压缩机来驱动，开展闭式循环实验研究。

2 实验系统

图1是预冷型JT制冷机实验测试系统。制冷机主要由压缩机、预冷制冷机(德国Leybold公司CoolPower 130型两级GM制冷机)、逆流换热器(CFHX1-3)、预冷换热器(PreHX1-2)、冷头换热器(CHX)以及JT阀组成。高纯氦气经含进排气阀的单级线性压缩机形成高压气体，依次经过CFHX1、PreHX1、CFHX2、PreHX2、CFHX3 的冷却后进入JT阀(可调针阀，非标件)进行等焓节流降压并在CHX产生制冷，节流后的低压气体再依次经过3级CFHX的低压侧冷却来流的高压侧气体，最终返回线性压缩机吸气口，形成一个完整的闭式循环。温度计布置位置如图1中由数字1～17标注的方块所示。实验系统中共布置了3处加热电阻，其中H1和H2用于调节预冷温度，H3用于模拟热负荷。

图1 预冷型JT制冷机实验测试系统Fig.1 Experimental system of precooled JT cryocooler

JT制冷机中换热器是低温部件体积和质量的主体。系统中选取的CFHX均为套管式换热器，结构简单，内管通高压流体，外管通低压流体，增加长度即可提高效率。PreHX由一块铜块加工形成，铜块端面与GM制冷机紧密贴合，并在铜块内部打孔形成弯折的流道，将预冷机的冷量传递给氦气。CHX则是将蒸发段管路真空钎焊在铜块上，通过布置在铜块上的加热电阻H3将热量均匀传递给蒸发管路，并在换热器进出口布置温度计来测量制冷温度。

由于JT制冷机仅由单级线性压缩机驱动，若压缩机压比过高，会造成排气温度升高，严重时可能会造成进排气阀的阀片断裂，因此实验中控制压比均小于4。为了在较小的压比条件下获得足够的制冷量，需要尽量降低预冷温度(图1中12点温度)，因此实验中未采用H1、H2进行加热。

为了加速JT制冷机降温，在CHX的出口处增设了旁通管路。在降温初期，开启旁通管路。当节流前温度降低至转化温度(约45 K)以下时，关闭旁通管路并调节JT阀的开度，使氦气进行节流制冷进一步降温，直至达到并稳定在液氦温区。

根据实验要求，需对温度、压力、流量以及加热功率进行测量，具体测量仪器及精度如表1所示[15]。

3 闭式循环实验

3.1 降温曲线

图2是液氦温区JT制冷机的降温曲线，给出了GM制冷机两级预冷温度T3和T6以及JT阀前后温度T13和T15的变化。降温过程中线性压缩机均处于开启状态。降温初期，JT阀处于全开状态，气体在经过JT阀后直接通过旁通管路回流至压缩机吸气口，这一阶段持续约4.5 h。待节流前温度降至氦-4的转化温度45 K以下时，且温度保持稳定后，关闭旁通管路并调节JT阀进行等焓节流，使温度进一步降低，从图2可以看出，在5.5 h时，T13和T15两处温度均稳定在液氦温度4.5 K，这是因为节流后的两相流体通过末级换热器将冷量传递至高压侧氦气，两级预冷温度T3和T6分别稳定在35.2 K和8.0 K。闭式循环JT制冷机从启动降温至液氦温区大约需要5.5 h。

表1 实验测量仪器[15]Table 1 Measurement instrument in experiment[15]

图2 JT制冷机降温曲线Fig.2 Cooling curve of JT cryocooler

3.2 热负荷对JT制冷机的影响

3.2.1 不同热负荷下JT制冷机工作参数

与开式实验[18]不同，在闭式实验过程中，JT制冷机的压力工况、流量会随热负荷的改变而变化。表2给出了JT制冷机的实际加热量(Q˙CHX)、制冷温度(Tc， 对应图 2 的 14 点温度)、高压压力(ph)、低压压力(pl)、质量流量(m˙)、压缩机耗功(P)、压缩机偏置直流电压(DC)、制冷温度对应饱和蒸汽压(p′l)以及实测低压对应的饱和温度(T′c)在不同热负荷下达到稳态时的数值。在1～9组工况中，为了保持制冷温度为定值，实验过程中调节线性压缩机输入功率和偏置电压使低压恒定在0.10～0.11 MPa的区间内。而在剩余工况中未对低压压力进行控制，仅在线性压缩机发生撞缸时才进行调节。

表2 不同热负荷下JT制冷机工作参数Table 2 Working parameters of JT cryocooler under different heat loads

图3为上述2种情况下JT制冷机关键节点温度随加热量增大的变化曲线，其中T11和T12分别对应CFHX3的低压侧出口和高压侧入口的温度，T14对应经 H3加热后的温度，即制冷温度Tc。 从图中可以看出在任一时刻，液氦温区的3个温度测点数值基本一致，最大偏差不超过0.07 K，本实验采用的温度计标定误差为±0.1 K，因此可以认为3点温度相同。即表明节流后产生了液氦，流体经过CHX加热后仍处于两相区。由于Tc仅取决于低压压力，由图3(a)可知，在控制低压的条件下，当制冷机稳定时Tc均保持在4.4～4.5 K的区间内，而图3(b)中，Tc则随着加热量的提高从4.4 K逐渐提高到4.9 K。

图4为流量(左纵坐标)和压力(右纵坐标)随加热量增大的变化曲线，可以看出，加热量越大，稳定时的流量也越大。高低压侧流量存在明显的差值(0.15 mg/s)，主要原因在于流量计是在室温条件下标定的，而低压侧气体在流过CFHX1后温度还未恢复到室温(由于预冷制冷机冷量充足，因此CFHX1的设计效率较低)，造成测得的流量偏低，因此在后续计算分析中均以高压侧流量为准。实验过程中当制冷机稳定时，流量波动较小，当处于最小和最大流量工况时，流量的标准差分别为0.010 mg/s和0.027 mg/s，小于流量的测量精度±0.12 mg/s[15]，说明实验所用压缩机性能较为稳定。随着加热量的提高，系统内部的液氦蒸发导致高低压压力均增大，图4(a)中工况通过增大压缩机的输入功以提高压比，从而控制低压压力维持稳定。

3.2.2 JT制冷机制冷量

对于JT制冷机，存在一个理论最大制冷量， 其值可由式(1)表示。

图3 不同加热量下关键节点温度变化Fig.3 Temperature behavior of key nodes under various heat loads

图4 不同加热量下流量与压力变化Fig.4 Mass flow and pressure behavior under various heat loads

式中，h(T，p)表示温度为T、压力为p的状态下氦-4的比焓，下标h和l分别对应高、低压侧。将图1中的CFHX3、JT阀以及CHX看作节流制冷单元，运用能量守恒分析可发现，当对CHX施加热负荷时，会造成CFHX3低压侧出口氦气温度升高。但由于换热器自身热力学平衡的限制，T11不可能高于T12，当且仅当采用理想换热器(换热效率为100%)的JT制冷机才能获得，一旦热负荷高于则会造成JT制冷机的失稳。由图3(a)可知，随着加热量的增加，到达稳定时的T11也在不断增加并趋近于T12。由图3(b)可知，当加热量为 63.24 mW 时，T11、T12温度线已经重合，可以预想的是，随着加热量进一步提高，JT制冷机便会进入由加热过载导致的失稳状态，失稳现象在之前的开式实验中已经得到验证[18]。然而实验结果表明，即使进一步提高加热量，T11、T12温度线均保持重合，JT制冷机也依然可以稳定运行，暂未测到过载失稳状态。

图5给出了各组实验工况下理论最大制冷量与实际加热量的对比。 在计算时，采用表2中的p′l作为节流后压力，可以发现与由压力传感器测得的pl相比，p′l的数值均要高出0.02～0.04 MPa，该差值可能是由于氦工质流经CHX、CFHX以及弯头时的流动阻力引起的。从图5中可以看出，各组工况下均小于因此JT制冷机未发生失稳现象。闭式实验中，热负荷的变化将导致系统中氦工质气液相比例发生变化，进而引起高低压侧压力和流量的变化。而开式实验中，由于高压气体由高压气瓶供给，低压气体则排入大气使循环中的压力工况一直能保持恒定，因此开式实验中，理论最大制冷量不会随加热量的改变而变化。由此说明，需对试验系统进一步改造，实现系统内充气量的调节后再对闭式循环的JT制冷机过载失稳状态进行测试。

图5 实验加热量与对应工况下的理论最大制冷量Fig.5 Theoretical maximum cooling capacity and heat load in experiment

图6给出JT制冷机在不同低压压力下单位质量制冷量随高压压力的变化关系，图中曲线代表JT制冷机在特定工况下所能达到的最大值，点代表实验获得的实际值，如式(2)、式(3)所示。

图6 q˙c理论值与实验值对比Fig.6 Comparison between theoretical and experiment results of q˙c

由于在实验中无法在改变加热量的条件下保持高低压力恒定，因此仅在图中用矩形圈出区域(对应了图3(b)中的工况，在这些工况下稳定时T11和T12基本一致)，可认为JT制冷机已经处于最大制冷量的状态。由于系统内存在由温度计引线、加热器引线、旁通管路以及其它支撑结构引起的漏热，造成实验值均低于理论值。

3.3 压缩机工况

线性压缩机作为液氦温区JT制冷机的关键部件，其性能决定了整机的效率，本实验中压缩机频率恒定为60 Hz。图7给出了压缩机耗功与加热量的变化关系，实验过程中，通过调节压缩机的输入电压实现在不同的加热量下对压比的控制，在加热上升的过程中，调节后的压缩机的功耗是随之上升的。

图8给出了JT制冷机运行中压缩机的等温效率和流量随压比的变化关系，与常见的压缩机性能特征不同[19]，压缩机的等温效率和流量与压比并未呈明显的相关性，可能的原因是，系统中气液两相的比例会随加热量改变而变化，造成每个工况下系统的平均充气压力不同。

图7 不同加热量下的压缩机电功Fig.7 Electrical power of compressor under various heat loads

图8 压缩机等温效率和流量与压比的关系Fig.8 Isothermal efficiency and mass flow vs pressure ratio of the compressor

压缩机输入功率增大会导致压缩前后压差增大，压缩腔内的气体会通过活塞与气缸之间的间隙逸流到背压腔使活塞平衡位置发生偏移导致撞缸。为防止压缩机撞缸，当压力工况发生改变时，需变化压缩机的偏置电压以维持活塞的平衡位置。实验测试中偏置电压与压缩机进出口压差的关系如图9所示。线性压缩机与制冷机之间的良好匹配是提升整机性能的关键，因此在测试系统获得进一步改进后，将对压缩机的性能进行更加系统的测试分析。

图9 压缩机偏置电压和压缩机进出口压差的关系Fig.9 Bias voltage vs pressure difference of the compressor

4 结论

本文基于已有的液氦温区JT制冷机实验平台，由2级GM制冷机预冷，采用带进排气阀的线性压缩机进行了闭式循环初步实验测试，制冷机降温时间为5.5 h，在7.3 K的预冷温度下达到最低制冷温度4.4 K，最大制冷量87.98 mW＠4.9 K，对应压缩机耗功为41.6 W。此外，闭式实验表明加热量的改变会造成系统中氦工质气液相比例的变化，JT制冷机会自适应地进入稳定状态，同时伴随制冷温度的改变。

致谢：感谢中科院上海技术物理研究所为本工作提供的线性压缩机和进排气阀组件以及在整个实验过程中的有益讨论与帮助。