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

預(yù)冷型J-T制冷機(jī)由預(yù)冷制冷機(jī)與J-T制冷機(jī)組成。預(yù)冷制冷機(jī)一般采用斯特林制冷機(jī)（Stirling）、脈沖管制冷機(jī)（Pulse Tube）和GM 制冷機(jī)等為其提供預(yù)冷。J-T 制冷機(jī)由多級(jí)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(shí)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(jī)需花費(fèi)大量時(shí)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?？臻g探測(cè)器如果遇見(jiàn)特殊情況例如制冷機(jī)需要啟停機(jī)時(shí)，則需要花費(fèi)大量時(shí)間，勢(shì)必影響空間探測(cè)任務(wù)正常進(jìn)行。

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

1 預(yù)冷降溫時(shí)間

1.1 預(yù)冷降溫時(shí)間

美國(guó)BALL 空間技術(shù)公司（Ball Aerospace & Technologies Corp，BALL）2007年報(bào)道了一款為詹姆斯·韋伯望遠(yuǎn)鏡（James Webb Space Telescope，JWST）中波紅外探測(cè)器（The Mid Infrared Instrument，MIRI）設(shè)計(jì)的一款三級(jí)斯特林制冷機(jī)提供預(yù)冷的6 K級(jí)J-T 制冷機(jī)[11]。BALL 公司2011年報(bào)道了一款為未來(lái)機(jī)載應(yīng)用和空間觀測(cè)設(shè)計(jì)的一款兩級(jí)斯特林制冷機(jī)提供預(yù)冷4 K 級(jí)J-T 制冷機(jī)[12]。表1為BALL公司兩款制冷機(jī)預(yù)冷降溫時(shí)間。

上述兩款制冷機(jī)在降溫的初始階段均使用旁通模式使初始降溫時(shí)間大大縮短。當(dāng)J-T 制冷機(jī)中的末級(jí)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(shí)可關(guān)閉旁通模式，并切換至J-T 循環(huán)模式開(kāi)始進(jìn)行J-T 制冷過(guò)程。一般關(guān)閉旁通模式的溫度為20 K 左右。因?yàn)楹庠?5 K～43 K 等焓曲線(xiàn)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(dāng)節(jié)流前the為7.8 K 時(shí)，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(jī)預(yù)冷性能

1.2 預(yù)冷降溫時(shí)間的影響因素

為使液氦溫區(qū)J-T 制冷機(jī)產(chǎn)生節(jié)流制冷效應(yīng)，需要花費(fèi)大量時(shí)間將VAL、EVA 及相應(yīng)管路等部件預(yù)冷至tinv以下。目前對(duì)影響預(yù)冷降溫時(shí)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(duì)降溫速率的影響

J-T 制冷機(jī)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(guò)內(nèi)管和外管之間環(huán)狀管道中的低壓氦氣來(lái)預(yù)冷內(nèi)管中的高壓氦氣。圖2為換熱器效率ε對(duì)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(duì)預(yù)冷制冷機(jī)冷量的需求[14-15]，提升ε可顯著提升J-T 制冷機(jī)性能[16]。但在預(yù)冷階段，tEVA-VAL和節(jié)流前the均高于tinv，來(lái)流氦氣流經(jīng)VAL 后將會(huì)被加熱，并流入HX內(nèi)管和外管之間的環(huán)狀管道。此時(shí)來(lái)流氦氣將會(huì)被回流氦氣加熱，使節(jié)流前the持續(xù)升高，進(jìn)一步惡化降溫過(guò)程。

此外，HX 一般采用無(wú)氧銅或者不銹鋼作為材料，圖3表示了316 不銹鋼與無(wú)氧銅溫度與比熱的關(guān)系，其數(shù)值由NIST 物性軟件查詢(xún)得到。由圖3可知，隨著溫度降低，不銹鋼和無(wú)氧銅的比熱將降低。即隨著降溫過(guò)程的推進(jìn)，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(duì)制冷量的影響[15]

圖3 無(wú)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(lái)流氦氣，使得HX 降溫過(guò)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(jī)系統(tǒng)降溫速率極其緩慢。

1.2.2 氦氣流量（fhe）對(duì)預(yù)冷降溫的影響

在預(yù)冷階段，HX 中氦氣的流動(dòng)換熱起主要降溫作用。當(dāng)J-T 循環(huán)管路中fhe越大，由氦氣流動(dòng)換熱帶來(lái)的溫降越大，HX 降溫速率越快。式1 為流經(jīng)VAL 時(shí)的fhe公式[8]。當(dāng)氦氣流經(jīng)VAL 時(shí)，由于流道突縮，帶來(lái)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(guò)節(jié)流孔的流量，kg/s；

F——節(jié)流孔出口處的橫截面積，m2；

k——?dú)怏w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(jí)間壁式換熱器（HXN）的換熱效率ε和J-T循環(huán)管路中fhe對(duì)J-T 制冷機(jī)預(yù)冷階段降溫時(shí)間影響較大。研究人員通過(guò)設(shè)置降溫旁通，可以顯著減少預(yù)冷降溫時(shí)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(guò)布置一個(gè)平行于VAL 的支路，讓氦氣繞過(guò)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(jìn)入HXN 中加熱來(lái)流方向低溫氦氣。通過(guò)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(dòng)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(lái)流進(jìn)口a 和VAL 出口f 設(shè)置旁通支路，其布局如圖4所示。此時(shí)，J-T 循環(huán)管路中的氦氣主流繞過(guò)HXN 高壓側(cè)通道ab 與VAL，通過(guò)低溫來(lái)流氦氣的流動(dòng)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(dòng)換熱帶來(lái)溫降變劇烈，加速J-T 制冷機(jī)預(yù)冷降溫過(guò)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(shí)間直接影響了J-T 制冷機(jī)預(yù)冷降溫時(shí)間。ab 段和VAL 依靠導(dǎo)熱和輻射進(jìn)行冷卻降溫，降溫速率較為緩慢。當(dāng)進(jìn)行J-T 節(jié)流制冷時(shí)，旁通支路將連接10 K 級(jí)的a 和4 K 級(jí)的f，使ta通過(guò)旁通管路和管路中氦氣的導(dǎo)熱傳遞至f，影響進(jìn)入EVA 中液氦的溫度和干度，進(jìn)而影響制冷性能。

1978年美國(guó)Air Products and Chemicals 公司（APCI）的GM/J-T 制冷機(jī)設(shè)計(jì)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(jī)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(jī)中采用第1 種降溫旁通結(jié)構(gòu)的項(xiàng)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(jī)

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(shí)，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(lái)流氦氣的流動(dòng)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(duì)HXN低壓側(cè)通道cd與EVA冷卻降溫。

NASA的JWST計(jì)劃中的MIRI部件最終中標(biāo)方案為NGST設(shè)計(jì)的三級(jí)脈沖管預(yù)冷J-T制冷機(jī)[35-36]，2011年報(bào)道該款制冷機(jī)性能為68 mW@6.2 K 和153 mW@18 K[37-40]。在NGST對(duì)該款制冷機(jī)早期的設(shè)計(jì)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(lái)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(shí)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(dòng)換熱實(shí)現(xiàn)，其降溫速率大大提升。由式1可知，隨著降溫過(guò)程的進(jìn)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(duì)系統(tǒng)降溫所帶來(lái)的不利影響。當(dāng)進(jìn)行J-T節(jié)流制冷時(shí)，與第1種旁通結(jié)構(gòu)相比，td＜ta，將減少對(duì)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(shí)，低溫氦氣的流動(dòng)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(shí)際需求[41-42]設(shè)計(jì)一款8 K級(jí)吸附式J-T制冷機(jī)，為METIS的光學(xué)部件提供冷卻，該款J-T 制冷機(jī)由氖氣和氫氣為工質(zhì)氣體的J-T 制冷機(jī)進(jìn)行前級(jí)預(yù)冷，最終性能約為400 mW@8 K[43]，該款制冷機(jī)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(jī)，可將HX 低壓側(cè)和VAL 對(duì)氦氣流動(dòng)的阻礙等不利影響克服，使進(jìn)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(lái)的冷量損失，需要對(duì)旁通管路分段進(jìn)行預(yù)冷。如圖6所示，EVA、一級(jí)預(yù)冷、末級(jí)預(yù)冷均對(duì)旁通支路進(jìn)行了預(yù)冷降溫，增大了預(yù)冷機(jī)和J-T 制冷機(jī)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(guò)低溫氦氣的流動(dòng)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(tái)開(kāi)式循環(huán)4 K 級(jí)J-T 制冷機(jī)即采用了第4 種旁通結(jié)構(gòu)，該款制冷使用兩級(jí)GM 制冷機(jī)進(jìn)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(kāi)式系統(tǒng)，可通過(guò)增大流量至fhemax的方式克服VAL 帶來(lái)的流動(dòng)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(jī)提供。在J-T 循環(huán)中，由于低溫下ρhe增大使fhe增大，實(shí)際所需的壓縮機(jī)出口fhe遠(yuǎn)小于fhemax。為了實(shí)現(xiàn)預(yù)冷階段所需fhemax而提升壓縮機(jī)出口fhe是不經(jīng)濟(jì)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(guò)程中，旁通支路需要預(yù)冷機(jī)提供額外冷量進(jìn)行預(yù)冷，故此結(jié)構(gòu)適用于大冷量預(yù)冷的開(kāi)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(dāng)前在研和應(yīng)用中的液氦溫區(qū)J-T制冷機(jī)降溫旁通結(jié)構(gòu)的主要特點(diǎn)，本文詳細(xì)介紹了表3所列出的4 種旁通結(jié)構(gòu)和實(shí)際案例，分析了J-T制冷機(jī)預(yù)冷降溫時(shí)間的影響因素，主要結(jié)論如下。

1）液氦溫區(qū)J-T 制冷機(jī)已成為未來(lái)空間探測(cè)的研究熱點(diǎn)，但過(guò)長(zhǎng)的預(yù)冷降溫時(shí)間嚴(yán)重制約了J-T 制冷機(jī)的使用。通過(guò)在合適的位置布局降溫旁通支路，可以大幅度減少降溫時(shí)間。

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

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

表3 液氦溫區(qū)J-T 制冷機(jī)降溫旁通比較