申運偉，劉東立，劉 磊，邱長煦，耑 銳，甘智華

（1.浙大城市學(xué)院低溫中心，杭州 310015；2.浙江大學(xué)制冷與低溫研究所 浙江省制冷與低溫技術(shù)重點實驗室，杭州 310027；3.西湖大學(xué)工學(xué)院 浙江省3D微納加工和表征研究重點實驗室，杭州 310024；4.上海宇航系統(tǒng)工程研究所，上海 201109）

0 引言

長期空間探索任務(wù)的關(guān)鍵技術(shù)之一是低溫推進劑的長期在軌貯存[1]。以液氫為燃料的空間推進器比沖高，可增加空間發(fā)射任務(wù)有效載荷[2]。為了減少液氫蒸發(fā)損失，結(jié)合被動絕熱技術(shù)和主動冷卻技術(shù)的液氫零蒸發(fā)（Zero Boil-Off，ZBO）技術(shù)應(yīng)運而生。其中，液氫溫區(qū)高效低溫制冷機是主動冷卻技術(shù)的重要組成部分之一[3-4]。當(dāng)前，具有空間應(yīng)用潛力的低溫制冷機類型主要有斯特林制冷機、脈管制冷機、斯特林/脈管復(fù)合制冷機、逆布雷頓制冷機和JT（Joule-Thomson）制冷機等。斯特林制冷機、脈管制冷機和斯特林/脈管復(fù)合制冷機等回?zé)崾街评錂C由于制冷工質(zhì)（氦氣）低溫下偏離理想氣體和回?zé)崽盍媳葻崛萁档停谏畹蜏貢r的回?zé)釗p失急劇增大，導(dǎo)致制冷效率隨著制冷溫度的降低而顯著降低。因此，空間用回?zé)崾街评錂C主要工作在20 K以上溫區(qū)。另外，回?zé)崾街评錂C冷卻液氫貯箱時需要配置氣體冷卻回路[5]，導(dǎo)致系統(tǒng)復(fù)雜、靈活性低。逆布雷頓制冷機具有在液氫溫區(qū)實現(xiàn)大冷量制冷的潛力，但低溫下高速旋轉(zhuǎn)的透平機械對加工精度和材料性能有很高的要求。另外，逆布雷頓制冷機一般利用工質(zhì)顯熱制冷，熱負(fù)荷變化時制冷溫度無法保持穩(wěn)定。因此，目前國內(nèi)外僅哈勃望遠(yuǎn)鏡上一臺8 W@65 K逆布雷頓制冷機實現(xiàn)了空間應(yīng)用[6]。JT制冷機系統(tǒng)簡單可靠，冷端無運動部件，已成為空間深低溫制冷的主流技術(shù)[7-9]，有潛力滿足液氫溫區(qū)空間ZBO技術(shù)的應(yīng)用要求。

為滿足Planck衛(wèi)星的冷量需求，在歐洲空間局（European Space Agency，ESA）支持下美國噴氣推進實驗室（Jet Propulsion Laboratory，JPL）研制了吸附式壓縮機驅(qū)動的液氫溫區(qū)JT制冷機[10]。JT制冷機采用三級被動（輻射屏）預(yù)冷，第三級預(yù)冷溫度為50 K左右。2008年，進行了性能測試實驗，輸入功率301 W時可在17.1 K提供1.125 W制冷量，相對卡諾效率為6.1%。該制冷機搭載在Planck衛(wèi)星（2009年5月發(fā)射升空）上，冷卻低頻部件的同時為液氦溫區(qū)JT制冷機提供預(yù)冷[11]。

為預(yù)冷達(dá)爾文（Darwin）項目中液氦溫區(qū)JT制冷機，在ESA支持下荷蘭特溫特大學(xué)研制出吸附式壓縮機驅(qū)動的液氫溫區(qū)JT制冷機實驗樣機[12]。樣機采用兩級氫吸附式壓縮機與90 K輻射冷卻屏熱耦合以減少外部漏熱，預(yù)冷溫度為50 K，輸入功率5.6 W時該制冷機可在14.5 K提供0.04 W制冷量。

目前實現(xiàn)空間應(yīng)用的JT制冷機在液氫溫區(qū)僅可提供瓦級冷量，無法滿足液氫長期在軌ZBO技術(shù)對大冷量（10 W以上）的需求。本文采用液氫溫區(qū)直接節(jié)流流程[13]，相比于液氫溫區(qū)典型節(jié)流流程（預(yù)冷后采用間壁式換熱器進一步冷卻高壓工質(zhì)，設(shè)有旁通部件以加速制冷機降溫）[13]，該流程預(yù)冷后不存在間壁式換熱器和旁通部件，具有結(jié)構(gòu)簡單緊湊、降溫過程無需旁通等優(yōu)點。本文采用直接節(jié)流流程方案，設(shè)計并搭建采用GM（Gifford-Mcmahon）制冷機預(yù)冷的液氫溫區(qū)直接節(jié)流JT制冷機開式系統(tǒng)實驗測試平臺，進行JT制冷機降溫及制冷量測試。

1 實驗系統(tǒng)介紹

1.1 直接節(jié)流JT制冷機介紹

圖1為典型JT制冷機原理圖，系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)運行時，氫工質(zhì)的流向如箭頭所示。

圖1 典型JT制冷機原理圖Fig.1 Schematic diagram of the JT cryocooler

氫工質(zhì)在壓縮機（組）中被壓縮升壓后（1～2）進入間壁式換熱器1的高壓側(cè)通道，被低壓側(cè)低溫工質(zhì)冷卻后（2～3）進入預(yù)冷換熱器；經(jīng)外部冷源冷卻后（3～4）進入間壁式換熱器2的高壓側(cè)通道被進一步冷卻（4～5）；隨后，高壓工質(zhì)經(jīng)節(jié)流閥節(jié)流（5～6）降壓降溫，形成氣液兩相流；氫工質(zhì)在冷端換熱器中受熱蒸發(fā)后（6～7）經(jīng)兩級間壁式換熱器的低壓側(cè)通道返回壓縮機，完成循環(huán)。由于氫的最高轉(zhuǎn)變溫度（205 K）低于環(huán)境溫度（300 K），當(dāng)節(jié)流前工質(zhì)溫度大于最高轉(zhuǎn)化溫度時，節(jié)流后工質(zhì)的溫度會上升，導(dǎo)致系統(tǒng)降溫緩慢。因此，典型JT制冷機降溫初期需設(shè)置旁通部件以加速降溫。圖1中旁通閥開啟時，預(yù)冷后的工質(zhì)不再流經(jīng)間壁式換熱器2高壓側(cè)和JT閥，而是直接流經(jīng)旁通閥后冷卻冷端換熱器。圖2為直接節(jié)流JT制冷機原理圖，相比典型JT制冷機，直接節(jié)流JT制冷機預(yù)冷后沒有間壁式換熱器和旁通部件，預(yù)冷后的工質(zhì)直接經(jīng)節(jié)流閥進入冷端換熱器，整機流程得到簡化且降溫過程無需旁通。

1.2 實驗裝置

基于圖2所示直接節(jié)流JT制冷機原理圖，給出開式預(yù)冷型液氫溫區(qū)直接節(jié)流JT制冷機實驗測試裝置示意圖，如圖3所示。高壓氫氣鋼瓶提供氫氣（99.999%）。為獲得充足的預(yù)冷量，采用兩級GM制冷機作為預(yù)冷機（實驗時僅利用其第二級冷量）。溫度計的位置用1～12數(shù)字在圖3中標(biāo)注。如圖3右側(cè)所示，節(jié)流制冷單元主要包括預(yù)冷換熱器、JT閥和冷端換熱器。按照工質(zhì)流向，在各個狀態(tài)節(jié)點上用3、4、5、6和11標(biāo)注，其溫度依次由銠鐵溫度計3、4、5、6和11測得。參考液氦溫區(qū)JT制冷機實驗樣機方案[14-15]，節(jié)流制冷單元單獨放置于銅制冷卻屏內(nèi)，冷卻屏由GM制冷機二級冷頭冷卻。預(yù)冷型JT制冷機低溫部分放置于真空室中。JT閥的閥桿延長至真空室法蘭外部，實驗過程中壓力小于5×10-5Pa。

圖2 直接節(jié)流JT制冷機原理圖Fig.2 Schematic diagram of the direct throttling JT cryocooler

圖3 JT制冷機開式實驗測試裝置Fig.3 Open-cycle JT cryocooler experimental setup

2 實驗過程及結(jié)果分析

預(yù)冷型液氫溫區(qū)直接節(jié)流JT制冷機開式實驗中需對溫度、壓力、流量和制冷量進行測量，各參數(shù)不確定度分析見文獻(xiàn)[16]。

2.1 制冷機降溫過程

完成系統(tǒng)管道內(nèi)部凈化、氣密性檢測及測試系統(tǒng)驗證工作后開展JT制冷機降溫實驗，降溫過程中進排氣閥及JT閥狀態(tài)如表1所列。節(jié)流制冷單元降溫曲線如圖4所示，分為“僅開啟預(yù)冷機”和“JT制冷機充排氣”階段。狀態(tài)點3、4、5、6和11的溫度表示為T3、T4、T5、T6和T11。為方便說明，圖中給出了GM制冷機二級冷頭溫度T10變化曲線。

表1 降溫過程中閥門狀態(tài)Tab.1 Valve status at cool down process

首先僅開啟GM制冷機（預(yù)冷機），由于管路導(dǎo)熱，節(jié)流制冷單元溫度逐漸下降，如圖4“僅開啟預(yù)冷機”階段所示。大約經(jīng)過6.5 h，GM制冷機從室溫降至40 K。隨后開啟進氣閥與排氣閥，節(jié)流制冷單元開始快速降溫，如圖4“JT制冷機充排氣”階段所示，期間通過JT閥調(diào)節(jié)系統(tǒng)質(zhì)量流量。受GM制冷機冷卻和JT閥節(jié)流降溫作用的影響，預(yù)冷溫度T4和冷端換熱器入口溫度T5快速降低。由于冷端換熱器熱容較大、前期溫度較高，氫工質(zhì)進入冷端換熱器后被加熱，冷端換熱器出口溫度（制冷溫度）T6上升，由此導(dǎo)致間壁式換熱器低壓側(cè)入口溫度上升，進而導(dǎo)致高壓側(cè)出口溫度T3上升。T3的上升導(dǎo)致預(yù)冷換熱器進口溫度上升，甚至加熱了GM制冷機冷頭，致使其第二級制冷溫度上升。預(yù)冷溫度T4隨著GM制冷機二級制冷溫度的上升而上升，進而導(dǎo)致冷端換熱器入口溫度T5上升。冷端換熱器受氫工質(zhì)冷卻，其溫度T11逐漸降低。當(dāng)T6溫度曲線上升至與T11重合時，由于工質(zhì)的持續(xù)冷卻作用，T6轉(zhuǎn)而隨T11降低。T3隨著T6的降低而降低，T3溫度出現(xiàn)小幅波動主要是調(diào)節(jié)JT閥造成的。T3的持續(xù)下降導(dǎo)致T10、T4和T5在上升至一個峰值后降低。JT制冷機降溫結(jié)束時，制冷溫度T6穩(wěn)定在20.8 K。此時JT制冷機高低壓力分別為0.665 MPa和0.111 MPa，質(zhì)量流量為38.22 mg/s。

圖4 節(jié)流制冷單元降溫過程Fig.4 Cool down process of the JT unit

2.2 冷量特性

根據(jù)JT制冷機參數(shù)優(yōu)化結(jié)果[13]，冷量特性實驗中預(yù)冷溫度初步設(shè)定為30 K，對應(yīng)的優(yōu)化高壓壓力及質(zhì)量流量分別為0.805 MPa和32.43 mg/s。開式實驗中通過加熱電阻H1的加熱量調(diào)節(jié)預(yù)冷溫度T4，通過調(diào)節(jié)與高壓鋼瓶相連的減壓閥以維持高壓壓力ph恒定（考慮系統(tǒng)壓降后，冷量特性實驗中高壓壓力實際值比設(shè)計值0.805 MPa稍高），低壓壓力pl與環(huán)境壓力和系統(tǒng)壓降有關(guān)，實驗中穩(wěn)定在0.1 MPa左右。

制冷機降溫結(jié)束后，通過加熱電阻H2向冷端換熱器施加10.19 W加熱量（采用Keithley 2 700數(shù)字萬用表測量加熱電流和H2兩端電壓，加熱量不確定度為0.011 W），T4、T5和T6變化如圖 5所示?？梢钥闯觯瑴囟茸兓?jīng)歷了兩個階段：“升溫”階段和“再次降溫”階段，對應(yīng)的質(zhì)量流量變化如圖6所示。

圖5 加熱量為10.19 W工況下節(jié)流制冷單元溫度變化Fig.5 Temperature behavior of the JT unit when heat load was 10.19 W

圖6 加熱量為10.19 W工況下質(zhì)量流量變化Fig.6 Mass flow rate behavior when heat load was 10.19 W

JT制冷機無負(fù)荷降溫結(jié)束后，冷端換熱器處有液氫積累。當(dāng)熱負(fù)荷作用于冷端換熱器時，JT制冷機瞬時制冷量遠(yuǎn)小于加熱量，液氫沸騰氣化導(dǎo)致圖6中“升溫”階段質(zhì)量流量降低，由此導(dǎo)致JT制冷機瞬態(tài)的制冷量小于加熱量，T6快速上升。此時，增大JT閥開度質(zhì)量流量得以暫時上升但隨后繼續(xù)降低，反復(fù)改變JT閥開度導(dǎo)致該階段質(zhì)量流量出現(xiàn)波動?！吧郎亍彪A段初期，調(diào)節(jié)H1加熱量使T4上升至30 K（設(shè)定值）左右，但由于隨后質(zhì)量流量降至3 mg/s左右，受預(yù)冷機冷卻，T4下降至22 K。隨后通過反復(fù)調(diào)節(jié)H1加熱量和增大質(zhì)量流量，T4可基本穩(wěn)定在30 K左右。當(dāng)T6上升至64 K時，通過調(diào)節(jié)JT閥開度，質(zhì)量流量不斷上升。此后，T6逐漸降低直至穩(wěn)定。實驗“升溫”階段多次增大JT閥開度導(dǎo)致“再次降溫”階段初期質(zhì)量流量超過設(shè)定值（32.43 mg/s），此時需減小JT閥開度以調(diào)節(jié)質(zhì)量流量?！霸俅谓禍亍彪A段后期，質(zhì)量流量逐漸穩(wěn)定在40.21 mg/s。此時質(zhì)量流量超過設(shè)定值，JT制冷機冷量未被完全利用，冷端換熱器出口帶液。后續(xù)實驗中可系統(tǒng)驗證高壓壓力及預(yù)冷溫度對JT制冷機冷量的影響。加熱量10.19 W工況下JT制冷機穩(wěn)定運行時主要熱力學(xué)參數(shù)如表2所列。

表2 加熱量為10.19 W工況下JT制冷機穩(wěn)定運行時熱力學(xué)參數(shù)Tab.2 Thermodynamic parameters of the JT cryocooler at steady condition when heat load was 10.19 W

3 總結(jié)

本文采用直接節(jié)流流程方案搭建了液氫溫區(qū)大冷量直接節(jié)流JT制冷機開式實驗樣機，該樣機具備結(jié)構(gòu)簡單緊湊和降溫過程無需旁通等優(yōu)點。在實驗中，在沒有旁通的條件下實現(xiàn)了室溫至液氫溫區(qū)的降溫。通過熱平衡法測得JT制冷機的穩(wěn)定制冷性能，該制冷機在20.8 K時可提供10.19 W制冷量。