一種空間極低溫吸附制冷機(jī)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

羅寶軍，王兆利，閆 濤，梁驚濤

(中國(guó)科學(xué)院理化技術(shù)研究所，北京100190)

0 引言

隨著空間科學(xué)計(jì)劃的開(kāi)展，深空探測(cè)和載人空間站等領(lǐng)域中的相關(guān)研究都需要空間極低溫(＜1 K)［1－6］。例如:載人空間站空間應(yīng)用相關(guān)學(xué)科任務(wù)中的低溫或極低溫下物質(zhì)在相變點(diǎn)附近的性質(zhì)研究［7］、空間天文任務(wù)中的針對(duì)各種科學(xué)目標(biāo)的高靈敏度巡天觀測(cè)研究［8］，這些研究的順利開(kāi)展都離不開(kāi)空間極低溫技術(shù)的支持［9］，且溫度越低，相關(guān)探測(cè)器的背景噪聲越小、靈敏度越高。

傳統(tǒng)的超流氦制冷系統(tǒng)最低溫度僅能達(dá)到1.4 K左右［10］。目前具備實(shí)現(xiàn)低于1 K制冷溫度的末端制冷技術(shù)有吸附制冷、絕熱去磁制冷和稀釋制冷［1－3，10］，其中極低溫吸附制冷作為一種主動(dòng)式制冷技術(shù)，采用氦3作為工質(zhì)可以獲得最低220 mK左右的制冷溫度，具有可靠性高、壽命長(zhǎng)、無(wú)干擾和重量輕等特點(diǎn)，是空間極低溫溫區(qū)非常重要的制冷技術(shù)之一［2，10］。

然而極低溫吸附制冷并不能從300 K直接獲得低于1 K，而是需要一個(gè)非常低的熱沉溫度，例如:世界唯一在軌極低溫吸附制冷機(jī)采用了一個(gè)超流氦杜瓦(低于1.7 K)作為前級(jí)熱沉系統(tǒng)［2］。由于超流氦制冷系統(tǒng)是利用攜帶的超流氦蒸發(fā)獲得制冷效應(yīng)，屬于被動(dòng)式制冷，其壽命由攜帶液體量的多少?zèng)Q定，具有壽命短、體積大和重量重等缺點(diǎn)［11］。隨著空間任務(wù)對(duì)系統(tǒng)壽命的要求越來(lái)越長(zhǎng)，采用主動(dòng)式制冷作為極低溫吸附制冷的熱沉系統(tǒng)已成為未來(lái)的發(fā)展趨勢(shì)。然而，機(jī)械制冷很難達(dá)到低于1.7 K的熱沉溫度，因此，研究基于1.7 K以上熱沉溫度的極低溫吸附制冷性能具有非常重要的價(jià)值。

文獻(xiàn)［12］介紹了基于脈沖管制冷機(jī)預(yù)冷的極低溫吸附制冷研究，利用脈沖管制冷機(jī)為極低溫吸附制冷提供一個(gè)2.6 K的熱沉溫度;文獻(xiàn)［13］介紹了基于4 K脈沖管制冷機(jī)預(yù)冷的極低溫吸附制冷研究;文獻(xiàn)［14］介紹了同樣基于4 K熱沉溫度的極低溫吸附制冷研究。可以看出，這些研究?jī)H給出了特定熱沉溫度下極低溫吸附制冷的性能，但是沒(méi)有直接給出熱沉溫度對(duì)極低溫吸附制冷機(jī)性能的影響。

由于缺乏熱沉溫度對(duì)極低溫吸附制冷性能的定量認(rèn)識(shí)，上述研究都很難科學(xué)全面地指導(dǎo)極低溫吸附系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。基于此，本文分析了極低溫吸附制冷系統(tǒng)的特性，計(jì)算了不同熱沉溫度下吸附制冷機(jī)的性能，并設(shè)計(jì)了一臺(tái)原理樣機(jī)，在4.2 K G－M制冷機(jī)熱沉系統(tǒng)基礎(chǔ)上開(kāi)展了試驗(yàn)研究。

1 極低溫吸附制冷系統(tǒng)的特性分析

極低溫吸附制冷技術(shù)是基于液體的飽和溫度與飽和蒸汽壓一一對(duì)應(yīng)(圖1)，且吸附劑(活性炭)對(duì)吸附質(zhì)(氦3或氦4)在不同溫度下吸附率X不同，通過(guò)周期性加熱和冷卻活性炭，使氦氣交替解吸和吸附，實(shí)現(xiàn)吸附床對(duì)氣體的壓縮和抽氣，從而具有以下優(yōu)點(diǎn):1)無(wú)機(jī)械運(yùn)動(dòng)部件，可靠性高、壽命長(zhǎng);2)無(wú)振動(dòng)和電磁干擾;3)重量輕和體積小。從圖1還可知，相同飽和蒸汽壓下氦3的飽和溫度比氦4低或者相同飽和溫度下氦4的飽和蒸汽壓比氦3低一個(gè)量級(jí)，因此對(duì)于同一制冷裝置，氦3的制冷溫度比氦4低340 mK左右，最低制冷溫度可達(dá)到220 mK左右(氦3作為工質(zhì)氣體)。

圖2是極低溫吸附制冷機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖，它由吸附床、泵管、蒸發(fā)器和熱開(kāi)關(guān)構(gòu)成。圖3為適用于極低溫吸附制冷機(jī)的氣隙式熱開(kāi)關(guān)結(jié)構(gòu)示意圖，由低溫泵、支撐筒、熱端和冷端構(gòu)成，通過(guò)加熱或冷卻吸附泵實(shí)現(xiàn)熱端和冷端之間的熱導(dǎo)通或熱斷開(kāi)。

圖1 氦3和氦4的飽和蒸汽壓Fig.1 Saturated vapor pressure of 3 He and 4He

對(duì)于極低溫吸附制冷機(jī)，其工作時(shí)依次執(zhí)行兩個(gè)過(guò)程:冷凝過(guò)程和制冷過(guò)程。冷凝過(guò)程中，吸附床與熱沉之間的熱開(kāi)關(guān)斷開(kāi)、蒸發(fā)器與熱沉之間的熱開(kāi)關(guān)閉合，吸附床被加熱，活性炭的吸附率下降，氦氣從活性炭表面解吸出來(lái)，流向蒸發(fā)器并在蒸發(fā)器內(nèi)冷凝為液體;制冷過(guò)程中，吸附床與熱沉之間的熱開(kāi)關(guān)閉合、蒸發(fā)器與熱沉之間的熱開(kāi)關(guān)斷開(kāi)，吸附床被冷卻，活性炭的吸附率增大，氦氣被吸附，蒸發(fā)器內(nèi)壓力降低、飽和溫度降低，制冷機(jī)產(chǎn)生制冷效應(yīng)。

當(dāng)蒸發(fā)器內(nèi)的液體完全蒸發(fā)后需重新開(kāi)始冷凝過(guò)程，因此該類制冷機(jī)屬于間歇制冷(間歇制冷是極低溫下制冷機(jī)工作的普遍形式)。

圖2 極低溫吸附制冷結(jié)構(gòu)示意圖Fig.2 Schematic diagram of sub－Kelvin sorption cooler

由于氦4和氦3的臨界溫度分別是5.2 K和3.3 K，因此，為了實(shí)現(xiàn)氦4和氦3的冷凝，熱沉溫度必須分別不高于5.2 K和3.3 K，這就要求必須采用其他制冷技術(shù)實(shí)現(xiàn)復(fù)疊，復(fù)疊制冷是空間小于1 K 制冷技術(shù)的普遍技術(shù)方案［2－3，15－16］(見(jiàn)圖 4)，而極低溫吸附制冷的熱沉制冷技術(shù)可以采用超流氦杜瓦或者4 K溫區(qū)機(jī)械制冷技術(shù)。

2 熱沉溫度對(duì)制冷機(jī)性能的影響

極低溫吸附制冷技術(shù)作為一種液體蒸發(fā)制冷技術(shù)，其制冷溫度取決于液體的飽和蒸汽壓，具體而言，取決于蒸發(fā)器內(nèi)的壓力，該壓力下氦氣的飽和溫度為制冷機(jī)的制冷溫度，其制冷量為

圖3 氣隙式熱開(kāi)關(guān)結(jié)構(gòu)示意圖Fig.3 Schematic diagram of gas－gap heat switch

圖4 獲取極低溫制冷溫度的技術(shù)路線Fig.4 Refrigeration roadmap of space ＜1K temperature

式中:m為制冷溫度下蒸發(fā)器內(nèi)液體量，L為制冷溫度下氦工質(zhì)的蒸發(fā)潛熱。因此，對(duì)于具體的制冷溫度，制冷量Q僅由液體量m決定。

同時(shí)，極低溫吸附制冷技術(shù)是一種減壓降溫制冷技術(shù)，其制冷效應(yīng)是利用一部分液體的蒸發(fā)帶走剩余液體質(zhì)量的焓實(shí)現(xiàn)溫降，因此最終能用于制冷的液體量m為:

式中:m0為冷凝過(guò)程中液體量，η為得液率，Ths為熱沉溫度，Tcool為制冷溫度，Cp為液體的比熱容，L為蒸發(fā)潛熱。Cp和L可以按下式計(jì)算:

由式(2)可知，η取決于熱沉溫度，熱沉溫度越高，制冷過(guò)程得液率越小;反之，熱沉溫度越小，制冷過(guò)程得液率越大。

對(duì)于給定充氣量的制冷機(jī)，通過(guò)推導(dǎo)獲得冷凝過(guò)程中的液體量m僅與冷凝溫度即熱沉溫度相關(guān):

式中:k為死容積系數(shù)，ρ為氣體密度，V為制冷機(jī)容積。

根據(jù)式(2)和式(11)，可獲得熱沉溫度對(duì)氦4極低溫吸附制冷機(jī)性能的影響(見(jiàn)圖5)，縱坐標(biāo)Qc(Tsink)/Qc(2.5K)為各溫度下制冷機(jī)的冷量與2.5K熱沉溫度時(shí)冷量的比值，其中Tsink為熱沉溫度。由圖可知，熱沉溫度越低，制冷冷量越高。

3 樣機(jī)研制與試驗(yàn)結(jié)果

3. 1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

對(duì)于極低溫吸附制冷系統(tǒng)，還需要綜合考慮極低溫制冷技術(shù)特性和前級(jí)制冷技術(shù)特性。因此基于圖5，針對(duì)我國(guó)未來(lái)空間0.05 K制冷溫度需求提出了適合我國(guó)的基于極低溫吸附制冷的空間0.05 K制冷路線(見(jiàn)圖6)，通過(guò)采用脈沖管制冷或節(jié)流制冷等機(jī)械制冷技術(shù)為極低溫吸附制冷提供4.5 K左右的前級(jí)熱沉溫度，然后通過(guò)一級(jí)絕熱去磁制冷實(shí)現(xiàn)空間0.05 K的制冷溫度，從而實(shí)現(xiàn)全溫區(qū)全主動(dòng)式制冷技術(shù)復(fù)疊，滿足空間任務(wù)對(duì)制冷溫度、壽命和重量等方面的要求。

圖5 熱沉溫度對(duì)制冷冷量影響分析Fig.5 Effect analysis of heat sink temperature on the performance of cooling

圖6 提出的空間0.05K制冷路線Fig.6 Proposed refrigeration roadmap of space 0.05K temperature

3. 2 樣機(jī)研制

圖7 為研制的極低溫吸附制冷機(jī)，吸附劑為活性炭，由于氦3價(jià)格昂貴，充氣工質(zhì)氣體為氦4。作為原理樣機(jī)，為方便試驗(yàn)研究各種特性，制冷機(jī)設(shè)計(jì)成可拆卸結(jié)構(gòu)。為滿足極低溫下的密封要求充氣壓力受到了限制，同時(shí)由于試驗(yàn)過(guò)程中曾發(fā)生過(guò)充氣壓力過(guò)高事故，為安全起見(jiàn)，選擇較低的充氣壓力(5.5 MPa)。根據(jù)式(2)和式(3)，較低的充氣壓力意味制冷機(jī)冷量較低，經(jīng)理論計(jì)算，5.5 MPa充氣量可以提供1 J@0.8 K的制冷能力，完全能滿足相關(guān)特性的試驗(yàn)要求。圖8為研制的氣隙式熱開(kāi)關(guān)，冷端和熱端均為無(wú)氧銅，冷端與熱端間隙為0.25 mm，支撐筒為0.1 mm厚的不銹鋼管。

蒸發(fā)器溫度計(jì)采用Cryocon公司的R500，溫度測(cè)量范圍為 0.05～40 K，吸附床溫度計(jì)采用Lakeshore公司的硅二極管溫度計(jì)DT－670，溫度測(cè)量范圍為 1.4～500 K，溫度采集儀為 Lakeshore controller 340。

圖7 極低溫吸附制冷機(jī)樣機(jī)Fig.7 Prototype of sub－Kelvin sorption cooler

圖8 氣隙式熱開(kāi)關(guān)樣機(jī)Fig.8 Prototype of gas－gap heat switch

鑒于本試驗(yàn)室的4.5 K脈沖管制冷機(jī)和節(jié)流制冷機(jī)仍在研制中［17－18］，因此本試驗(yàn)中的前級(jí)制冷采用了一臺(tái)1.5 W@4.2 K G－M 制冷機(jī)，利用 G－M 制冷機(jī)的二級(jí)冷頭作為極低溫吸附制冷機(jī)的熱沉進(jìn)行降溫試驗(yàn)。

3. 3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

試驗(yàn)中，首先利用4.2 K G－M制冷機(jī)將極低溫吸附制冷機(jī)冷卻到4.2 K左右，然后加熱吸附床至50 K左右，吸附床解吸出氦氣，氦氣流入蒸發(fā)器并被冷凝為液體;然后關(guān)閉加熱，接通熱開(kāi)關(guān)，吸附床開(kāi)始降溫，蒸發(fā)器開(kāi)始制冷。由于吸附過(guò)程是一個(gè)放熱過(guò)程，吸附床的最終溫度取決于熱開(kāi)關(guān)的導(dǎo)通熱導(dǎo)。降溫試驗(yàn)過(guò)程中，由于吸附床熱開(kāi)關(guān)采用的無(wú)氧銅材料純度問(wèn)題，其實(shí)際熱導(dǎo)率遠(yuǎn)小于理論熱導(dǎo)率，因此吸附床的最終溫度只能達(dá)到7.2 K左右。

試驗(yàn)結(jié)果如圖9所示，圖(a)是極低溫吸附制冷機(jī)吸附床和蒸發(fā)器的降溫曲線，并將10000～40000 s蒸發(fā)器制冷結(jié)果曲線放大如圖(b)所示。從圖9(b)可以看出，蒸發(fā)器的最低溫度達(dá)到了0.759 K，在蒸發(fā)器處加載50μW 的負(fù)載，溫度在0.8 K以下維持了3 h 40 min，基本達(dá)到了預(yù)期，初步驗(yàn)證了提出的基于4.5 K脈沖管制冷極低溫吸附制冷技術(shù)方案可行性。由于氦3和氦4吸附制冷機(jī)在結(jié)構(gòu)上幾乎完全相同，根據(jù)前面的理論分析，采用氦3作為工質(zhì)的樣機(jī)將能實(shí)現(xiàn)0.4 K左右的最低制冷溫度，從而作為末級(jí)制冷技術(shù)可以直接滿足紅外、遠(yuǎn)紅外和亞毫米等譜段探測(cè)的制冷需求。因此，下一步將對(duì)氦3為工質(zhì)氣體的空間極低溫吸附制冷技術(shù)進(jìn)行研究;并解決熱開(kāi)關(guān)無(wú)氧銅純度導(dǎo)致的熱導(dǎo)率問(wèn)題，以期獲得更好的制冷性能。

圖9 極低溫吸附制冷機(jī)試驗(yàn)結(jié)果Fig.9 Experimental results of sorption cooler

4 結(jié)論

1)氦4和氦3極低溫吸附制冷的最高熱沉溫度分別為5.2 K和3.3 K，且采用氦3作為工質(zhì)的吸附制冷系統(tǒng)制冷溫度比采用氦4的低340 mK左右。

2)通過(guò)公式推導(dǎo)獲得了熱沉溫度對(duì)極低溫吸附制冷性能的影響，熱沉溫度不僅影響制冷過(guò)程中的得液率，也影響冷凝過(guò)程中冷凝液體量，熱沉溫度越低，得液率和冷凝液體量越大，系統(tǒng)的冷量越大。

3)研制了一臺(tái)極低溫吸附制冷機(jī)，工質(zhì)氣體為氦 4，在 1.5 W@4.2 K G－M 制冷機(jī)基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)了50μW@0.8 K的制冷性能，初步驗(yàn)證了所提基于4.5 K脈沖管制冷極低溫吸附制冷技術(shù)方案的可行性。

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