空间吸附制冷技术的研究进展

王兆利 李亚丽 罗宝军 洪国同

(1中国科学院理化技术研究所空间功热转换技术重点实验室 北京 100190)

(2中国科学院研究生院 北京 100049)

空间吸附制冷技术的研究进展

王兆利1，2李亚丽1罗宝军1洪国同1

(1中国科学院理化技术研究所空间功热转换技术重点实验室 北京 100190)

(2中国科学院研究生院 北京 100049)

吸附制冷机具有工作寿命长、无运动部件、不会产生振动、可靠性较高、无电磁干扰的特点，是未来空间制冷技术中最重要的制冷技术之一。介绍了美国和欧洲空间吸附式制冷技术的发展和研究热点，结合中国深空探测对低温制冷技术的需求提出了发展空间吸附制冷技术的建议。

吸附制冷机 深空探测 研究进展

1 引言

随着中国卫星技术的发展对高可靠、长寿命制冷技术的需求日益增长，吸附制冷机由于没有任何损耗部件很容易满足高可靠、长寿命的要求。吸附制冷机采用吸附床代替传统的机械压缩机，主要由吸附床、热交换器、节流装置、管道、阀门、加热冷却装置和热开关组成。吸附床对制冷工质的吸附为物理或化学吸附方式，当吸附床加热时，制冷工质解吸，压力升高，经换热器冷却后降温，节流或减压蒸发产生制冷效应，成为低压气/液混合物，液体吸收外部热量后蒸发，低压气体回到吸附床被吸附，即完成一个制冷循环。低温吸附制冷机具有工作寿命长、无运动部件、不会产生振动、可靠性较高、无电磁干扰的特点，其制冷温度可以涵盖几百mK至室温附近的宽温区，具体的工作温度取决于工质气体种类，吸附床可远离冷端方便布置［1-3］。吸附式制冷自身的特点决定其是未来空间制冷技术中最重要的制冷技术之一。20世纪80年代末出现的吸附式制冷在国际宇航界引起了广泛的重视。目前美国、欧洲都资助了相关研究项目，并取得了一些应用。

2 国外研究进展

2.1 1 W/20 K氢吸附制冷机［4-7］

2009年5月14日，欧洲宇航局在法属圭亚那库鲁航天中心，借助阿丽亚娜5-ECA型火箭成功发射了Planck卫星，Planck卫星将在最高分辨率上观测远红外光谱，考察137亿年前宇宙大爆炸后瞬间充满宇宙的辐射残余宇宙微波背景辐射，回答人类最关心的问题，宇宙是如何起源和演变的。为了完成这一任务，Planck卫星携带了1.5 m口径的望远镜，望远镜能利用安放在舱内名为“低频仪器”和“高频仪器”的高灵敏度传感器收集宇宙微波背景辐射，瞬息敏感度比宇宙背景探测器高10多倍。为了能准确测量微波背景辐射的温度，探测器必须冷却到接近绝对零度。Planck卫星的低温系统，包括一台60 K辐射制冷器，一台20 K氢吸附式制冷机，一台4 K J-T制冷机和一台100 mK稀释制冷机。

20 K氢吸附低温制冷机由美国著名的JPL实验室研制。其采用6组金属氢化物吸附床和低压气体贮存器组成，每个吸附床都通过气隙式热开关控制与辐射散热器之间的热连接的导通与断开。当吸附床加热到450 K时，氢气从吸附床脱附产生高压氢气，通过逆流换热器冷却至60 K后在减压降温装置中冷却至18 K，并提供冷量。氢气冷凝后再通过逆流换热器升温至270 K，在吸附床中被吸附，完成制冷循环。该吸附制冷机在20 K可提供1 W的制冷量。总功耗370 W，采用分组吸附床工作方式，可以连续提供制冷量。图1和图2分别为20 K氢吸附制冷机的结构示意图和原理示意图。

2.2 10 mW/5K氦吸附制冷机［8-9］

拟定于2014年发射的Darwin卫星的目的是寻找类地行星和对类地行星的大气以及生命化学痕迹进行光谱分析。飞行编队由5个太空探测器，其中4个太空探测器携带3—4 m级望远镜，在一个50—500 m基线上进行红外干涉测量，要求在中红外波段高分辨率成像。望远镜和焦距平面传感器需要被冷却到4—10 K，在比较了超流氦杜瓦，固氢制冷，J-T制冷，逆布雷顿制冷，磁制冷和吸附制冷后选定吸附制冷做为获得4—10 K的制冷级，最后采用辐射制冷器，氢气/活性炭，氦气/活性炭吸附制冷的复合制冷技术方案，先用70 K和50 K辐射制冷器进行预冷，再用氢气/活性炭吸附制冷冷却到14.5 K最后再用氦气/活性炭吸附制冷冷却到5 K，温度在5 K时有10 mW的制冷量。图3为10 mW/5 K吸附制冷机系统示意图。

图1 20 K氢吸附制冷机Fig.1 View of 20 K sorption cooler

图2 20 K氢吸附制冷机原理示意图Fig.2 Sorption cooler principle of operation

2.3 10 μW/300 mK 吸附制冷机［10-13］

图3 10 mW/5 K吸附制冷机系统示意图Fig.3 Schematic picture of 10 mW/5 K sorption cooler

2009年5月14日Herschel空间望远镜发射升空。Herschel空间望远镜观测波段为红外线，研究星系的诞生与星际物质之间的相互作用情况，观测宇宙天体的大气成分以及表面化学组成。图4为搭载在Herschel卫星上由法国原子能总署低温部(CEASBT)研制的氦3极低温吸附制冷机。预冷温度为1.8 K，制冷温度为300 mK。图5为该吸附制冷机工作过程示意图，该制冷机属于间歇制冷，是极低温下普遍采用的类型。图A中吸附床与热沉(热沉温度为1.8 K)之间的热开关断开，蒸发器与热沉之间的热开关闭合，吸附床被加热，吸附质被冷凝为液体并积聚在蒸发器内;图B中吸附床与热沉之间的热开关闭合，蒸发器与热沉之间的热开关断开吸附床被冷却，吸附质被吸附，蒸发器压力降低，温度降低。图C中热开关状态与图B相同，此时蒸发器内压力达到最低值，该压力下的饱和温度为制冷机的制冷温度，蒸发器内剩余液体的蒸发潜热为制冷量。

图4 氦3极低温吸附制冷机Fig.4 3He sorption cryocooler

图5 吸附制冷机工作过程示意图Fig.5 Steps of cooling operation

极低温吸附制冷技术中吸附床替代了机械压缩机，吸附床工作在低温下，实现低温压缩，减少了损失，缩小了体积。在有预冷的条件下，吸附制冷可以作为一个紧凑的制冷末极，获得更低的温度。2.4 200 mW/165 K及10 mW/96 K微型吸附制冷机［14］

微型吸附制冷技术是未来空间用制冷技术中极具潜力的一种，目前欧洲Twente大学已经针对微型吸附制冷技术进行比较深入的研究，已经研制出了直径1 cm，长度10 cm的吸附床，其余部件采用MEMS技术加工的吸附制冷机实现了200 mW/165 K的目标，图6为微型吸附床结构图，未来将进一步缩小吸附床体积至直径 5 mm，长度 5 cm。此外，荷兰Twente大学正在研制一台液氮温区的微型吸附制冷机10 mW/96 K工质气体为氮气，吸附剂为活性炭，该制冷机低温端部分，尺寸为30 mm×2 mm×0.5 mm。

3 总结和建议

吸附式制冷机是空间用低温制冷机的重要组成部分，其研究重点主要集中在以下几个方面:

(1)高性能吸附剂的研究

吸附制冷作为一种无任何损耗部件的制冷技术，其制冷效率很大程度取决于吸附剂的特征，过去活性炭的比表面积只能到达1 000 m2/g，随着材料科学的发展，现在活性炭的比表面积已经达到3 000 m2/g甚至更高，制冷效率大幅提高，在深低温区制冷效率甚至优于机械式制冷。

(2)部件性能的改进

图6 微型吸附床Fig.6 Micro sorption bed

单向阀、热开关和节流阀是吸附式制冷系统重要的部件。单向阀使用寿命是一个关键问题，经过专门选购的阀门可满足长寿命的需求，节流阀是整个制冷系统的薄弱环节，小孔节流阀结构最简单但抗堵性能差。现在多采用金属粉末烧结材料做节流阀，实验结果表明性能可靠、稳定，且不易堵塞，原因是这种多孔材料提供了无数多的并行通道。低温吸附制冷机常用的部件是热开关，现在主要发展的是气隙式热开关。

(3)吸附床效率的提高

吸附制冷机的核心是吸附床，其性能提高手段主要是传热传质强化。传热强化主要包括扩展换热面积、提高传热系数，传质强化则主要采用减小传质制路径的技术手段。对活性炭等吸附材料可以通过吸附剂材料压缩固化的办法提高其导热系数。对金属吸氢材料其导热系数往往要比活性炭等吸附剂高得多，导热问题相对不是主要问题。

(4)提高整机的热效率

基本的吸附式制冷是间歇型的，要实现连续制冷可采用两台或两台以上的吸附床交替运行。要提高制冷机效率可对吸附床进行回热循环，在吸附床加热过程中的热量进行再利用，将待冷却的吸附床和待加热的吸附床通过热开关连接起来，利用前者冷却后者，后者加热前者的方式减少前者的加热量和后者向环境的放热量，从而显著提高吸附制冷机的效率。此外多级吸附床可获得比单级吸附床更高的压力，可以减小吸附床内死体积，从而提高吸附制冷机的效率。

目前吸附式制冷机正朝着多床多级、小型化、微型化的方向发展。中国吸附制冷技术的研究主要集中在常温区太阳能或余热利用领域，由于应用对象不同，空间吸附式制冷和常温吸附式制冷在制冷结构，吸附剂，工质气体，加热方式，放热方式和传热方式等方面几乎完全不同。吸附式制冷机可满足空间制冷技术对高可靠性、长寿命、无干扰的要求，开展对空间吸附制冷技术的研究将有重要的科学价值和实用价值。

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Research and development of space sorption cryocooler

Wang Zhaoli1，2Li Yali1Luo Baojun1Hong Guotong1

(1Key Laboratory of Space Energy Conversion Technologies，Technical Institute of Physics and Chemistry，
Chinese Aeademy of Sciences，Beijing 100190，China)
(2Graduate University of Chinese Academy of Sciences，Beijing 100190，China)

Sorption cooler is one of the most important space cryogenic refrigeration technology for space applications in future.The development status of sorption coolers in America and Europe was reviewed and some suggestions were put forward for developing sorption cooler research to meet deep space exploration’s requirements in China.

sorption cryocooler;deep space exploration;development

TB661

A

1000-6516(2012)06-0057-05

2012-09-20;

2012-12-05

王兆利，男，24岁，硕士研究生。