耿 暉，崔曉鈺，佘海龍

（上海理工大學(xué) 能源與動(dòng)力工程學(xué)院，上海 200093）

氣體在管路中遇到突然的體積變化，會(huì)因局部阻力產(chǎn)生壓力顯著下降的等焓節(jié)流。實(shí)際氣體在等焓節(jié)流前、后溫度隨壓力驟降發(fā)生較大變化的現(xiàn)象為焦耳-湯姆遜（J-T）效應(yīng)。J-T效應(yīng)節(jié)流制冷系統(tǒng)因結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、降溫迅速、運(yùn)行可靠等優(yōu)點(diǎn)，在紅外探測(cè)元件和導(dǎo)彈制導(dǎo)裝置的冷源、計(jì)算機(jī)芯片等小型電子設(shè)備散熱以及冷凍醫(yī)療手術(shù)等領(lǐng)域得到應(yīng)用。因其應(yīng)用領(lǐng)域或場(chǎng)合的不同，采用J-T效應(yīng)節(jié)流制冷技術(shù)設(shè)計(jì)的制冷系統(tǒng)的形式存在差別。根據(jù)系統(tǒng)中制冷工質(zhì)是否循環(huán)分為開(kāi)式系統(tǒng)和閉式系統(tǒng)；根據(jù)系統(tǒng)中驅(qū)動(dòng)組件形式的不同主要分為機(jī)械式壓縮機(jī)驅(qū)動(dòng)的J-T效應(yīng)節(jié)流制冷系統(tǒng)和吸附式J-T效應(yīng)節(jié)流制冷系統(tǒng)。而且對(duì)于應(yīng)用于液氦溫度的J-T效應(yīng)節(jié)流制冷系統(tǒng)，為了使制冷工質(zhì)在節(jié)流前達(dá)到轉(zhuǎn)化溫度，往往采用預(yù)冷方式。本文就以上系統(tǒng)分類對(duì)J-T效應(yīng)節(jié)流制冷系統(tǒng)的研究進(jìn)行總結(jié)。

1 開(kāi)式 J-T 效應(yīng)節(jié)流制冷系統(tǒng)

開(kāi)式J-T效應(yīng)節(jié)流制冷系統(tǒng)一般以高壓氣瓶提供系統(tǒng)制冷所需的氣源。開(kāi)式系統(tǒng)整體沒(méi)有移動(dòng)部件，組成簡(jiǎn)單且安全可靠，在J-T制冷技術(shù)研究初期應(yīng)用較多。開(kāi)式J-T效應(yīng)節(jié)流制冷系統(tǒng)一般由氣源、換熱器、節(jié)流閥及膨脹器組成，其系統(tǒng)原理圖如圖1所示。

圖1 開(kāi)式 J-T 效應(yīng)節(jié)流制冷系統(tǒng)原理圖Fig. 1 Schematic diagram of open cycle J-T refrigeration system

提供高壓氣源的方式有連續(xù)氣流源或儲(chǔ)氣瓶?jī)煞N，制冷工質(zhì)可以為單一氣源提供的純工質(zhì)，一般選用常溫下具有較大J-T系數(shù)的氮?dú)?、氬氣、二氧化碳等工質(zhì)，也可以為多個(gè)氣源混合處理得到的混合工質(zhì)。Gross［1］在以氮?dú)鉃橹评涔べ|(zhì)的開(kāi)式J-T節(jié)流制冷系統(tǒng)中分析了壓力調(diào)節(jié)器對(duì)這兩種供氣方式的影響。圖2為開(kāi)式系統(tǒng)試驗(yàn)設(shè)備圖[2]。外部的高壓氣體通過(guò)氣體凈化裝置，進(jìn)入J-T效應(yīng)制冷器節(jié)流制冷，隨后排入大氣。結(jié)果表明，工質(zhì)流經(jīng)連續(xù)氣流源的制冷系統(tǒng)中的壓力調(diào)節(jié)器后溫度會(huì)升高，而在儲(chǔ)氣瓶提供氣源的系統(tǒng)中，工質(zhì)流經(jīng)壓力調(diào)節(jié)器后溫度變化不大。

圖2 開(kāi)式系統(tǒng)試驗(yàn)設(shè)備圖Fig. 2 Equipment of open cycle system

開(kāi)式系統(tǒng)組成簡(jiǎn)單，運(yùn)行穩(wěn)定，可用來(lái)研究系統(tǒng)中特定組件或比較不同工質(zhì)的制冷性能。Alberti等［2］通過(guò)J-T效應(yīng)節(jié)流制冷系統(tǒng)測(cè)試了用于冷卻X光探測(cè)器的小型J-T液化器的性能。該系統(tǒng)以高壓氣瓶為氣源，電控啟停信號(hào)控制，氣體過(guò)濾器凈化氣體。選擇氮?dú)庾鳛橹评涔べ|(zhì)并通過(guò)電子閥控制，且電子閥僅在光譜檢測(cè)開(kāi)始工作時(shí)才開(kāi)啟，該系統(tǒng)從室溫300 K可降至80 K。Hong 等［3］采用 4～10 MPa的高壓氣瓶提供氣源，在開(kāi)式制冷系統(tǒng)中比較了氬氣與氮?dú)鈨煞N工質(zhì)在微型J-T效應(yīng)節(jié)流制冷系統(tǒng)中的性能。結(jié)果表明，氬氣在10 MPa的進(jìn)氣壓力下，冷端溫度達(dá)到100 K時(shí)用時(shí)1.4 min，比氮?dú)饪?.43倍，且微型J-T效應(yīng)節(jié)流制冷系統(tǒng)的冷端溫度可穩(wěn)定在90 K。開(kāi)式微型J-T效應(yīng)節(jié)流制冷系統(tǒng)也被用于研究與驗(yàn)證工質(zhì)在J-T效應(yīng)制冷器中的流動(dòng)與換熱特性。例如，Narayanan等［4］選用開(kāi)式試驗(yàn)系統(tǒng)來(lái)測(cè)試其微通道J-T效應(yīng)制冷器，用以理解其內(nèi)部復(fù)雜的對(duì)流及導(dǎo)熱問(wèn)題，同時(shí)提出了其中換熱器的一些設(shè)計(jì)準(zhǔn)則。

近年來(lái)，一些超低溫J-T效應(yīng)節(jié)流制冷的研究中也采用了開(kāi)式系統(tǒng)。Jahromi等［5］設(shè)計(jì)了一種獲得超低溫的開(kāi)式J-T效應(yīng)制冷循環(huán)系統(tǒng)。該系統(tǒng)通過(guò)兩級(jí)換熱器保證高、低壓工質(zhì)換熱充分，且將制冷系統(tǒng)的換熱器、節(jié)流閥以及蒸發(fā)腔置于杜瓦箱中以控制熱損失，并采用氦氣為實(shí)驗(yàn)工質(zhì)。結(jié)果表明，最低制冷溫度為1.39、1.65 K時(shí)可獲得150 mW的制冷量。

從上述文獻(xiàn)可以看出，開(kāi)式J-T效應(yīng)節(jié)流制冷系統(tǒng)使用高壓氣瓶或穩(wěn)定氣流提供氣源，使得系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，且多用于測(cè)試制冷工質(zhì)或J-T節(jié)流制冷器的實(shí)驗(yàn)研究中。但開(kāi)式系統(tǒng)也因?yàn)槿鄙衮?qū)動(dòng)組件不能實(shí)現(xiàn)制冷工質(zhì)的循環(huán)使用，一方面將工質(zhì)直接排放出系統(tǒng)造成工質(zhì)的浪費(fèi)，同時(shí)也會(huì)帶來(lái)一定的危險(xiǎn)性，例如，采用可燃性氣體為工質(zhì)，并將其排放到空氣中等；另一方面也限制了開(kāi)式系統(tǒng)在長(zhǎng)期使用的冷卻設(shè)備上的應(yīng)用。

2 閉式 J-T 效應(yīng)節(jié)流制冷系統(tǒng)

J-T節(jié)流制冷系統(tǒng)因結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、降溫迅速等優(yōu)勢(shì)，在不同應(yīng)用領(lǐng)域得以推廣，但早期的開(kāi)式系統(tǒng)不能滿足需長(zhǎng)期運(yùn)行的場(chǎng)合，因此可循環(huán)工作的閉式J-T節(jié)流制冷系統(tǒng)應(yīng)運(yùn)而生。閉式J-T效應(yīng)節(jié)流制冷系統(tǒng)中由壓縮機(jī)提供的驅(qū)動(dòng)力促使制冷工質(zhì)被壓縮至高壓，并在制冷系統(tǒng)中周而復(fù)始地循環(huán)。

閉式J-T效應(yīng)節(jié)流制冷系統(tǒng)具有可長(zhǎng)期循環(huán)使用、污染少等優(yōu)點(diǎn)，相較于開(kāi)式系統(tǒng)，閉式系統(tǒng)結(jié)構(gòu)更為復(fù)雜。圖3為閉式單級(jí)J-T節(jié)流制冷系統(tǒng)原理圖。該系統(tǒng)中制冷劑由壓縮機(jī)加壓至所需壓力，經(jīng)冷凝器冷卻后進(jìn)入回?zé)釗Q熱器，高、低壓流體完成換熱，然后在節(jié)流結(jié)構(gòu)中節(jié)流制冷，再經(jīng)過(guò)蒸發(fā)器吸收熱源后流經(jīng)換熱器低壓通道，最后再次進(jìn)入壓縮機(jī)進(jìn)行循環(huán)。根據(jù)閉式J-T效應(yīng)節(jié)流制冷系統(tǒng)中使用驅(qū)動(dòng)壓縮機(jī)的不同可分為機(jī)械式壓縮機(jī)驅(qū)動(dòng)的J-T效應(yīng)節(jié)流制冷系統(tǒng)和吸附式J-T效應(yīng)節(jié)流制冷系統(tǒng)。

圖3 閉式單級(jí) J-T 效應(yīng)節(jié)流制冷系統(tǒng)原理圖Fig. 3 Schematic diagram of closed cycle J-T refrigeration system with single stage

2.1 機(jī)械式壓縮機(jī)驅(qū)動(dòng)的J-T效應(yīng)節(jié)流制冷系統(tǒng)

閉式系統(tǒng)中壓縮機(jī)種類不同，對(duì)J-T效應(yīng)制冷性能的影響不同。機(jī)械式壓縮機(jī)在制冷系統(tǒng)中被廣泛采用，其中機(jī)械式壓縮機(jī)按照壓縮原理的不同可以分為離心壓縮機(jī)、線形壓縮機(jī)、活塞壓縮機(jī)等。目前制冷系統(tǒng)中可應(yīng)用的壓縮機(jī)壓比不太高，制約了單一工質(zhì)為制冷劑的系統(tǒng)的制冷性能，故閉式系統(tǒng)中多采用壓比要求不高、制冷性能優(yōu)良的混合工質(zhì)。

根據(jù)所需的工質(zhì)壓力選擇具有合適壓比的壓縮機(jī)驅(qū)動(dòng)，一般單級(jí)壓縮機(jī)的壓比在1～5之間，Derking等［6］在單級(jí)J-T節(jié)流制冷實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)中采用CH4/C2H6/C4H10為三元混合工質(zhì)，由線性壓縮機(jī)將工質(zhì)壓縮至0.94 MPa后，工質(zhì)通過(guò)一款單級(jí)矩形微通道J-T效應(yīng)制冷器節(jié)流制冷，可達(dá)到150 K的冷端溫度，制冷量為46 mW。返流的低壓氣體壓力為 130 kPa。Narasimhan 等［7］在單級(jí)J-T制冷系統(tǒng)中，采用氮?dú)狻⒛蕷夂屯闊N（CH4/C2H6/C3H8）組成的混合工質(zhì)，對(duì)往復(fù)式壓縮機(jī)性能的影響進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，其中壓縮機(jī)的壓比為3.2～5.3，高壓氣體被壓縮后進(jìn)氣壓力為1 500～2 000 kPa，節(jié)流膨脹后壓力為 0.1～0.5 MPa，得出了不同組分的混合工質(zhì)對(duì)效率η=Wisen/Wactare（其中Wisen、Wactare分別為壓縮機(jī)的等熵和實(shí)際機(jī)械功率）沒(méi)有影響。Ardhapurkar等［8］選用單級(jí)壓縮閉式系統(tǒng)，實(shí)驗(yàn)研究了氮?dú)夂屯闊N化合物組成的混合工質(zhì)在J-T效應(yīng)循環(huán)中兩相流的情況，實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，回?zé)釗Q熱器中傳熱系數(shù)在871～1 169 W·m-2·K-1之間波動(dòng)，熱流體從入口到出口壓降為初始?jí)毫Φ?%～8%。

采用二級(jí)或多級(jí)壓縮驅(qū)動(dòng)，可以獲得10以上的高壓比，并實(shí)現(xiàn)更低的制冷溫度。壓縮機(jī)的壓比等性能對(duì)制冷系統(tǒng)整體制冷效果影響很大，故提高壓縮機(jī)的性能至關(guān)重要。有學(xué)者主要對(duì)J-T效應(yīng)節(jié)流制冷系統(tǒng)中的壓縮機(jī)進(jìn)行了研究。例如，Sobol等［9］在J-T制冷循環(huán)中對(duì)壓電式壓縮機(jī)的性能進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，采用單壓比均為5的壓縮機(jī)組成二級(jí)壓縮，總壓縮比為25，選用氮?dú)鉃閷?shí)驗(yàn)工質(zhì)，高、低壓分別為2.2 、0.15 MPa。Gygax等［10］對(duì)高壓氦氣J-T效應(yīng)液化器采用閉式系統(tǒng)進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，系統(tǒng)由主、副兩個(gè)壓縮機(jī)組成兩級(jí)換熱制冷。圖4為兩級(jí)壓縮的J-T效應(yīng)節(jié)流制冷系統(tǒng)圖。該系統(tǒng)制冷過(guò)程中氣體工作壓力在 0.68～2 .00 MPa之間，氣體節(jié)流膨脹后壓力為0.1 MPa。將J-T節(jié)流制冷系統(tǒng)置于杜瓦裝置中后，當(dāng)冷端溫度為4.2 K時(shí)，可獲得250 mW 的制冷量。Sato 等［11］對(duì)運(yùn)用于日本“Astro-H”衛(wèi)星上的機(jī)械制冷器進(jìn)行了熱力性能及可靠性的優(yōu)化。對(duì)該J-T制冷器制冷系統(tǒng)的修正改進(jìn)主要有兩方面：一方面是對(duì)壓縮機(jī)性能的改進(jìn)，采用兩級(jí)壓縮；另一方面是在高壓入流至換熱器之間加入吸氣劑，以清理工質(zhì)中的雜質(zhì)。改進(jìn)后的制冷系統(tǒng)采用兩級(jí)預(yù)冷并先后采用三級(jí)換熱器在冷熱流體間換熱，在J-T制冷器冷端溫度達(dá)到4.5 K的情況下可以獲得40 mW的制冷量。在以上研究基礎(chǔ)上，Sato等［12］為了獲得1 K的低溫，于2015年提出了四級(jí)壓縮J-T效應(yīng)節(jié)流制冷器系統(tǒng)，實(shí)驗(yàn)工質(zhì)為He3，在冷端溫度達(dá)到1.7 K時(shí)，能獲得10 mW的制冷量。Wiegerinck等［13］對(duì)不同的閉式J-T效應(yīng)制冷循環(huán)的研究結(jié)果表明，采用二級(jí)壓縮系統(tǒng)比單級(jí)壓縮制冷效率提高3倍。若再添加內(nèi)預(yù)冷裝置，制冷效率會(huì)再提高3倍；若將預(yù)冷裝置改為外界提供，制冷效率能再提高2倍。Gong等［14］測(cè)試了一種二級(jí)循環(huán)J-T制冷系統(tǒng)，主路循環(huán)及預(yù)冷循環(huán)中所運(yùn)用的換熱器均為套管式換熱器，JT膨脹閥均為毛細(xì)管，其中主路循環(huán)采用氮?dú)?、氖氣和烷烴（CH4/C2H6/C3H8）混合工質(zhì)，預(yù)冷循環(huán)采用非共沸烷烴（CH4/C2H6/C3H8/C4H10/C5H12），預(yù)冷循環(huán)裝有單個(gè)SC15CL壓縮機(jī)，可將預(yù)冷工質(zhì)節(jié)流降溫至220 K，主路循環(huán)聯(lián)立兩個(gè)壓縮機(jī)，預(yù)冷后的混合工質(zhì)經(jīng)節(jié)流可降溫至80 K。

圖4 兩級(jí)壓縮的節(jié)流制冷系統(tǒng)圖［9］Fig. 4 Throttling refrigeration system with two-stage compression［9］

要獲得更好的制冷效果，除了采用以上多級(jí)壓縮以獲得更大壓比的方法外，也有研究者嘗試采用多級(jí)J-T節(jié)流膨脹。例如，Narasaki［15］對(duì)兩級(jí)J-T節(jié)流膨脹進(jìn)行了數(shù)值分析，以3He、4He為制冷劑，制冷系統(tǒng)圖如圖5所示。該閉式JT效應(yīng)制冷系統(tǒng)中預(yù)冷裝置為兩級(jí)斯特林循環(huán)制冷。對(duì)兩種冷端溫度的工況進(jìn)行了模擬，結(jié)果表明，采用兩級(jí)J-T節(jié)流膨脹的制冷系統(tǒng)的性能優(yōu)于具有單級(jí)節(jié)流膨脹的系統(tǒng)。在冷端溫度為1 K時(shí)，可獲得20 mW的制冷量，比單級(jí)節(jié)流提高了100%；在冷端溫度為4 K時(shí)，可獲得26 mW的制冷量，較單級(jí)節(jié)流提高了30%。一般單級(jí)壓縮機(jī)的壓比在5以內(nèi)時(shí)基本可以滿足制冷溫區(qū)在150 K以上的制冷需求，但在空間紅外探測(cè)、太空望遠(yuǎn)鏡等一些制冷需求較低的場(chǎng)合需要通過(guò)增加壓縮級(jí)數(shù)、回?zé)釗Q熱級(jí)數(shù)或者J-T節(jié)流膨脹級(jí)數(shù)的方式，所獲得的冷端溫區(qū)在1～4 K之間。

圖5 兩級(jí)節(jié)流膨脹的制冷系統(tǒng)圖［10］Fig. 5 Refrigeration system with two-stage throttling expansion［10］

2.2 吸附式 J-T 效應(yīng)節(jié)流制冷系統(tǒng)

吸附式J-T效應(yīng)節(jié)流制冷系統(tǒng)主要由壓縮器部分和J-T節(jié)流制冷部分組成，如圖6所示，其中J-T節(jié)流制冷部分一般包括預(yù)冷器、換熱器、節(jié)流閥和蒸發(fā)器。吸附式J-T效應(yīng)節(jié)流制冷系統(tǒng)無(wú)運(yùn)動(dòng)部件，具有壽命長(zhǎng)、耗能少，且不存在電磁干擾等優(yōu)點(diǎn)。

圖6 吸收式 J-T 效應(yīng)節(jié)流制冷系統(tǒng)原理圖［16］Fig. 6 Schematic diagram of J-T absorption refrigeration system［16］

吸附式J-T效應(yīng)節(jié)流制冷系統(tǒng)中多采用CO、Kr、CH4、N2、H2、Ne 等為制冷劑，一般以活性炭、石墨、金屬氫化物等為吸附劑。Jones等［16］在吸附式J-T效應(yīng)節(jié)流制冷系統(tǒng)中進(jìn)行了試驗(yàn)，分別研究了工質(zhì)為活性炭/Kr與PCO/O2的制冷性能以及壓縮機(jī)的能耗。結(jié)果表明，以活性炭/Kr為制冷劑時(shí)制冷溫度為120～140 K，以PCO/O2為制冷劑時(shí)制冷溫度為65～80 K，同時(shí)，Jones等通過(guò)比較同工況下機(jī)械式壓縮機(jī)與吸收式壓縮機(jī)驅(qū)動(dòng)制冷系統(tǒng)的耗能情況發(fā)現(xiàn)，吸收式壓縮機(jī)消耗的功率遠(yuǎn)小于普通機(jī)械式壓縮機(jī)。對(duì)吸附式J-T效應(yīng)節(jié)流制冷系統(tǒng)的研究也不局限于實(shí)驗(yàn)研究，也有很多研究結(jié)合了模擬計(jì)算。Bowman等［17］對(duì)壓縮機(jī)在單級(jí)J-T效應(yīng)節(jié)流制冷系統(tǒng)中的制冷性能進(jìn)行了計(jì)算，采用的吸附劑為氫化釩，制冷劑為氫氣。制冷劑的節(jié)流前高壓為12 MPa，經(jīng)J-T節(jié)流制冷后獲得1.6 W的制冷量，其冷端溫度為25 K，節(jié)流膨脹后制冷劑低壓為0.3 MPa。Pearson 等［18］研究了金屬氫化物/氫氣吸附式壓縮機(jī)的閉式J-T效應(yīng)節(jié)流制冷系統(tǒng)。該系統(tǒng)采用三級(jí)預(yù)冷，兩級(jí)換熱后J-T節(jié)流制冷。吸附式壓縮機(jī)將制冷劑氫氣的節(jié)流前壓力提升至 4.8 MPa，節(jié)流后壓力為 30 kPa，當(dāng)制冷溫度為20 K，制冷設(shè)備可提供1 W的制冷量。Tzabar等［19］研究了閉式J-T效應(yīng)節(jié)流制冷系統(tǒng)內(nèi)吸附式壓縮機(jī)對(duì)不同純工質(zhì)制冷劑（氮?dú)?、甲烷、乙烷）制冷性能的影響，以活性炭為吸附劑，將所得到?shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)與主流的吸附式制冷系統(tǒng)模型結(jié)果進(jìn)行比較發(fā)現(xiàn)，不同工質(zhì)適用于不同的理論模型。為了得到較好的通用公式，Tzabar對(duì)Freundlich模型進(jìn)行了改進(jìn)，改進(jìn)后的模型得到的模擬數(shù)據(jù)與采用氮?dú)?、甲烷或乙烷為工質(zhì)時(shí)的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)較吻合。2012年，Tzabar等［20］在 J-T 節(jié)流制冷系統(tǒng)中，采用二元混合工質(zhì)（氮/甲烷、氮/乙烷）為制冷劑時(shí)對(duì)系統(tǒng)的制冷性能進(jìn)行了模擬研究，以活性炭為吸附劑，應(yīng)用Langmuir和Sips兩種吸收模型。結(jié)果表明：在相同溫度時(shí)，采用氮?dú)?甲烷為制冷劑比采用純工質(zhì)氮?dú)鉃橹评鋭┛梢垣@得更高的壓縮壓力；制冷循環(huán)時(shí)，混合工質(zhì)中氮?dú)鉂舛瓤偸堑陀谖綍r(shí)的初始濃度，且這種濃度偏移現(xiàn)象與制冷溫度相關(guān)。Wu等［21］對(duì)純工質(zhì)在吸附式壓縮J-T效應(yīng)制冷系統(tǒng)中的制冷性能進(jìn)行了試驗(yàn)研究，基于制冷系統(tǒng)的性能系數(shù)（coefficiency of performance，COP）最大化的方法，在低進(jìn)口壓力（0.02～1 MPa）下，選擇在0～170 K范圍內(nèi)適合不同冷卻溫區(qū)的制冷劑。對(duì)由單級(jí)吸附式壓縮機(jī)驅(qū)動(dòng)的J-T冷卻器的工作流體在65～160 K和16～38 K兩種冷端工作溫度范圍進(jìn)行了優(yōu)化，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，在65～160 K范圍內(nèi)氮?dú)庠谖⑿蚃-T效應(yīng)節(jié)流制冷系統(tǒng)中的制冷性能最好，其次是一氧化碳、甲烷和氪，而氫氣和氖氣適用于制冷溫度為16～38 K；并且表明可以通過(guò)采用兩級(jí)壓縮制冷的方式獲得低于87 K的冷端溫度，在兩級(jí)吸附式壓縮節(jié)流制冷系統(tǒng)中氮?dú)夂鸵谎趸际禽^為合適的制冷劑。

分析文獻(xiàn)可以得出，吸附式J-T效應(yīng)節(jié)流制冷系統(tǒng)一般應(yīng)用于 65～160 K、16～38 K 兩個(gè)溫區(qū)，其中一氧化碳、甲烷、氮?dú)夂碗礆獾戎评鋭┻m用于65～160 K的吸附式J-T節(jié)流制冷，氫氣、氖氣作制冷劑時(shí)可獲得更低的制冷溫度。如文獻(xiàn)[20-21]中所述，為了獲得更好的制冷效果，可以采用混合工質(zhì)作為吸附式壓縮節(jié)流制冷的制冷劑。例如，采用氮?dú)?一氧化碳、氮?dú)?甲烷、氮?dú)?乙烷等，但混合工質(zhì)在節(jié)流制冷系統(tǒng)中的特性較純工質(zhì)復(fù)雜，存在工質(zhì)濃度偏移等問(wèn)題；同時(shí)，也可以采用兩級(jí)或者多級(jí)吸附壓縮的方式獲得更高的進(jìn)氣壓力，以及采用多級(jí)預(yù)冷的方式降低制冷劑的節(jié)流前溫度，以獲得更好的制冷效果。

減少節(jié)流降溫時(shí)間，尤其對(duì)于氦氣等轉(zhuǎn)化溫度較低的J-T節(jié)流工質(zhì)，需要預(yù)冷裝置將其在進(jìn)入J-T節(jié)流閥之前冷卻至轉(zhuǎn)化溫度以下，才能使節(jié)流制冷達(dá)到液氦溫區(qū)。預(yù)冷型J-T效應(yīng)節(jié)流制冷循環(huán)是將兩個(gè)甚至多個(gè)制冷循環(huán)復(fù)疊，其中一級(jí)循環(huán)的作用是為了下一級(jí)循環(huán)制冷，使下一級(jí)循環(huán)中的工質(zhì)在節(jié)流前預(yù)冷至轉(zhuǎn)化溫度，其中采用的預(yù)冷循環(huán)方式多有不同，主要包括J-T制冷循環(huán)、斯特林制冷循環(huán)、G-M制冷機(jī)等［22-28］。

2.3 其他

除了通過(guò)增加制冷級(jí)數(shù)與添加預(yù)冷裝置等方式外，也有其他方法用于J-T效應(yīng)節(jié)流制冷系統(tǒng)中以提高系統(tǒng)制冷效率。Prina等［29］針對(duì)J-T效應(yīng)制冷系統(tǒng)提出了一種冷端溫度控制方案[見(jiàn)圖7(a)]，應(yīng)用溫度控制的J-T節(jié)流制冷系統(tǒng)，采集中間換熱器的進(jìn)、出口溫度，壓力等參數(shù)，調(diào)節(jié)入流高壓氣體溫度，從而控制冷端溫度。在20 K時(shí)氫氣J-T效應(yīng)回?zé)釗Q熱系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，設(shè)置溫控裝置的節(jié)流制冷系統(tǒng)的耗能只有40 W，比普通節(jié)流制冷系統(tǒng)所需耗能降低一半左右。YU［30］在蒸發(fā)腔后加入抽吸噴射裝置構(gòu)成新的J-T效應(yīng)制冷系統(tǒng)[見(jiàn)圖7(b)]，其系統(tǒng)制冷效率、制冷量與?效率都得到顯著提升。Gong等［31］研究了運(yùn)行混合工質(zhì)的三種J-T制冷系統(tǒng)，如圖7(c)所示。該系統(tǒng)中增加不同配置的J-T節(jié)流制冷循環(huán)系統(tǒng)，其中：循環(huán)A即為普通的單級(jí)節(jié)流制冷系統(tǒng)；循環(huán)B、C中分別加入了一個(gè)、兩個(gè)分相器。通過(guò)分相器，混合工質(zhì)分離為氣液兩相，高沸點(diǎn)的液相組分節(jié)流預(yù)冷低沸點(diǎn)的氣相組分，氣相組分再進(jìn)入J-T節(jié)流閥以獲取更低的制冷溫度。Lee等［32］對(duì)系統(tǒng)內(nèi)渦流式壓縮機(jī)過(guò)熱現(xiàn)象進(jìn)行了優(yōu)化，并采用水冷方式對(duì)壓縮機(jī)進(jìn)行冷卻，從而進(jìn)一步提升了系統(tǒng)效率。

圖7 其他形式的J-T效應(yīng)節(jié)流制冷循環(huán)系統(tǒng)原理圖Fig. 7 Schematic diagram of J-T refrigeration system with other modes

以上研究中通過(guò)冷端溫控、蒸發(fā)腔后增加噴射裝置、增加分相器或者水冷壓縮機(jī)等不同方式提升J-T效應(yīng)節(jié)流制冷系統(tǒng)的制冷性能。這些結(jié)構(gòu)的增減可以根據(jù)系統(tǒng)的需求進(jìn)行設(shè)計(jì)。

3 結(jié)束語(yǔ)

開(kāi)式J-T效應(yīng)節(jié)流制冷系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)便、氣源穩(wěn)定。在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，系統(tǒng)中的其他設(shè)備對(duì)J-T效應(yīng)制冷器的影響較小，適用于需短時(shí)間快速冷卻的對(duì)象，以及可靠性及穩(wěn)定性要求高的場(chǎng)合。

對(duì)于需長(zhǎng)期應(yīng)用的場(chǎng)合，應(yīng)用閉式循環(huán)更為現(xiàn)實(shí)。閉式J-T效應(yīng)制冷系統(tǒng)內(nèi)需安裝壓縮機(jī)等增壓設(shè)備，且制冷性能受到壓縮機(jī)類型、性能的影響。以離心壓縮機(jī)、線形壓縮機(jī)、活塞壓縮機(jī)為主的機(jī)械式壓縮機(jī)驅(qū)動(dòng)的J-T節(jié)流制冷系統(tǒng)的制冷性能較開(kāi)式系統(tǒng)有很大提升，一般單級(jí)壓縮機(jī)的壓比在5以內(nèi)就基本可以滿足制冷溫區(qū)在150 K以上的制冷需求。但在空間紅外探測(cè)、太空望遠(yuǎn)鏡等一些需要較低制冷溫度的場(chǎng)合則需要通過(guò)增加壓縮級(jí)數(shù)、回?zé)釗Q熱級(jí)數(shù)或者J-T節(jié)流膨脹級(jí)數(shù)等方式來(lái)實(shí)現(xiàn)，所獲得的冷端溫區(qū)在 1～4 K 之間。

機(jī)械式壓縮機(jī)驅(qū)動(dòng)的J-T節(jié)流制冷系統(tǒng)與吸附式J-T效應(yīng)節(jié)流制冷系統(tǒng)分別以不同形式的壓縮機(jī)裝置為制冷系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)循環(huán)。機(jī)械式壓縮機(jī)壓縮過(guò)程中需要消耗機(jī)械功，機(jī)械功通常由電能提供；而吸附式壓縮機(jī)是由工質(zhì)對(duì)的相變制冷驅(qū)動(dòng)，能耗少，且無(wú)運(yùn)動(dòng)部件。吸附式J-T效應(yīng)節(jié)流制冷系統(tǒng)一般應(yīng)用于65～160 K、16～38 K兩個(gè)制冷溫區(qū)，其中一氧化碳、甲烷、氮?dú)夂碗礆獾戎评鋭┻m用于65～160 K的吸附式J-T節(jié)流制冷，氫氣、氖氣作制冷劑時(shí)可獲得更低的制冷溫度。為了獲得更好的制冷效果，可以采用混合工質(zhì)作為吸附式壓縮節(jié)流制冷的制冷劑，例如氮?dú)?一氧化碳，氮?dú)?甲烷，氮?dú)?乙烷等，同時(shí)，也可以采用兩級(jí)或者多級(jí)吸附壓縮的方式獲得更高的進(jìn)氣壓力，以及采用多級(jí)預(yù)冷的方式降低制冷劑的節(jié)流前溫度，以獲得更好的制冷效果。

J-T效應(yīng)節(jié)流制冷系統(tǒng)具有冷卻速度快、性能可靠、制冷效果顯著等諸多優(yōu)勢(shì)，因此在許多領(lǐng)域得到應(yīng)用。為了獲得更理想的制冷效果，也可以豐富制冷系統(tǒng)中的其他結(jié)構(gòu)，例如，通過(guò)增加多級(jí)回?zé)釗Q熱以及多級(jí)J-T節(jié)流等多種形式豐富制冷系統(tǒng)；同時(shí)，系統(tǒng)中使用多元混合工質(zhì)以獲得更廣泛的制冷溫區(qū)。通過(guò)以上多種方式豐富J-T節(jié)流制冷系統(tǒng)，提升其制冷性能，使J-T效應(yīng)節(jié)流制冷系統(tǒng)在更多應(yīng)用場(chǎng)合具有可觀的發(fā)展前景。