液氢温区直接节流JT制冷机降温实验

2022-05-27申运伟刘东立邱长煦甘智华

真空与低温 2022年3期

申运伟，刘东立，刘磊，邱长煦，耑锐，甘智华

（1.浙大城市学院低温中心，杭州 310015；2.浙江大学制冷与低温研究所浙江省制冷与低温技术重点实验室，杭州 310027；3.西湖大学工学院浙江省3D微纳加工和表征研究重点实验室，杭州 310024；4.上海宇航系统工程研究所，上海 201109）

0 引言

长期空间探索任务的关键技术之一是低温推进剂的长期在轨贮存[1]。以液氢为燃料的空间推进器比冲高，可增加空间发射任务有效载荷[2]。为了减少液氢蒸发损失，结合被动绝热技术和主动冷却技术的液氢零蒸发（Zero Boil-Off，ZBO）技术应运而生。其中，液氢温区高效低温制冷机是主动冷却技术的重要组成部分之一[3-4]。当前，具有空间应用潜力的低温制冷机类型主要有斯特林制冷机、脉管制冷机、斯特林/脉管复合制冷机、逆布雷顿制冷机和JT（Joule-Thomson）制冷机等。斯特林制冷机、脉管制冷机和斯特林/脉管复合制冷机等回热式制冷机由于制冷工质（氦气）低温下偏离理想气体和回热填料比热容降低，在深低温时的回热损失急剧增大，导致制冷效率随着制冷温度的降低而显著降低。因此，空间用回热式制冷机主要工作在20 K以上温区。另外，回热式制冷机冷却液氢贮箱时需要配置气体冷却回路[5]，导致系统复杂、灵活性低。逆布雷顿制冷机具有在液氢温区实现大冷量制冷的潜力，但低温下高速旋转的透平机械对加工精度和材料性能有很高的要求。另外，逆布雷顿制冷机一般利用工质显热制冷，热负荷变化时制冷温度无法保持稳定。因此，目前国内外仅哈勃望远镜上一台8 W@65 K逆布雷顿制冷机实现了空间应用[6]。JT制冷机系统简单可靠，冷端无运动部件，已成为空间深低温制冷的主流技术[7-9]，有潜力满足液氢温区空间ZBO技术的应用要求。

为满足Planck卫星的冷量需求，在欧洲空间局（European Space Agency，ESA）支持下美国喷气推进实验室（Jet Propulsion Laboratory，JPL）研制了吸附式压缩机驱动的液氢温区JT制冷机[10]。JT制冷机采用三级被动（辐射屏）预冷，第三级预冷温度为50 K左右。2008年，进行了性能测试实验，输入功率301 W时可在17.1 K提供1.125 W制冷量，相对卡诺效率为6.1%。该制冷机搭载在Planck卫星（2009年5月发射升空）上，冷却低频部件的同时为液氦温区JT制冷机提供预冷[11]。

为预冷达尔文（Darwin）项目中液氦温区JT制冷机，在ESA支持下荷兰特温特大学研制出吸附式压缩机驱动的液氢温区JT制冷机实验样机[12]。样机采用两级氢吸附式压缩机与90 K辐射冷却屏热耦合以减少外部漏热，预冷温度为50 K，输入功率5.6 W时该制冷机可在14.5 K提供0.04 W制冷量。

目前实现空间应用的JT制冷机在液氢温区仅可提供瓦级冷量，无法满足液氢长期在轨ZBO技术对大冷量（10 W以上）的需求。本文采用液氢温区直接节流流程[13]，相比于液氢温区典型节流流程（预冷后采用间壁式换热器进一步冷却高压工质，设有旁通部件以加速制冷机降温）[13]，该流程预冷后不存在间壁式换热器和旁通部件，具有结构简单紧凑、降温过程无需旁通等优点。本文采用直接节流流程方案，设计并搭建采用GM（Gifford-Mcmahon）制冷机预冷的液氢温区直接节流JT制冷机开式系统实验测试平台，进行JT制冷机降温及制冷量测试。

1 实验系统介绍

1.1 直接节流JT制冷机介绍

图1为典型JT制冷机原理图，系统稳态运行时，氢工质的流向如箭头所示。

图1 典型JT制冷机原理图Fig.1 Schematic diagram of the JT cryocooler

氢工质在压缩机（组）中被压缩升压后（1～2）进入间壁式换热器1的高压侧通道，被低压侧低温工质冷却后（2～3）进入预冷换热器；经外部冷源冷却后（3～4）进入间壁式换热器2的高压侧通道被进一步冷却（4～5）；随后，高压工质经节流阀节流（5～6）降压降温，形成气液两相流；氢工质在冷端换热器中受热蒸发后（6～7）经两级间壁式换热器的低压侧通道返回压缩机，完成循环。由于氢的最高转变温度（205 K）低于环境温度（300 K），当节流前工质温度大于最高转化温度时，节流后工质的温度会上升，导致系统降温缓慢。因此，典型JT制冷机降温初期需设置旁通部件以加速降温。图1中旁通阀开启时，预冷后的工质不再流经间壁式换热器2高压侧和JT阀，而是直接流经旁通阀后冷却冷端换热器。图2为直接节流JT制冷机原理图，相比典型JT制冷机，直接节流JT制冷机预冷后没有间壁式换热器和旁通部件，预冷后的工质直接经节流阀进入冷端换热器，整机流程得到简化且降温过程无需旁通。

1.2 实验装置

基于图2所示直接节流JT制冷机原理图，给出开式预冷型液氢温区直接节流JT制冷机实验测试装置示意图，如图3所示。高压氢气钢瓶提供氢气（99.999%）。为获得充足的预冷量，采用两级GM制冷机作为预冷机（实验时仅利用其第二级冷量）。温度计的位置用1～12数字在图3中标注。如图3右侧所示，节流制冷单元主要包括预冷换热器、JT阀和冷端换热器。按照工质流向，在各个状态节点上用3、4、5、6和11标注，其温度依次由铑铁温度计3、4、5、6和11测得。参考液氦温区JT制冷机实验样机方案[14-15]，节流制冷单元单独放置于铜制冷却屏内，冷却屏由GM制冷机二级冷头冷却。预冷型JT制冷机低温部分放置于真空室中。JT阀的阀杆延长至真空室法兰外部，实验过程中压力小于5×10-5Pa。

图2 直接节流JT制冷机原理图Fig.2 Schematic diagram of the direct throttling JT cryocooler

图3 JT制冷机开式实验测试装置Fig.3 Open-cycle JT cryocooler experimental setup

2 实验过程及结果分析

预冷型液氢温区直接节流JT制冷机开式实验中需对温度、压力、流量和制冷量进行测量，各参数不确定度分析见文献[16]。

2.1 制冷机降温过程

完成系统管道内部净化、气密性检测及测试系统验证工作后开展JT制冷机降温实验，降温过程中进排气阀及JT阀状态如表1所列。节流制冷单元降温曲线如图4所示，分为“仅开启预冷机”和“JT制冷机充排气”阶段。状态点3、4、5、6和11的温度表示为T3、T4、T5、T6和T11。为方便说明，图中给出了GM制冷机二级冷头温度T10变化曲线。

表1 降温过程中阀门状态Tab.1 Valve status at cool down process

首先仅开启GM制冷机（预冷机），由于管路导热，节流制冷单元温度逐渐下降，如图4“仅开启预冷机”阶段所示。大约经过6.5 h，GM制冷机从室温降至40 K。随后开启进气阀与排气阀，节流制冷单元开始快速降温，如图4“JT制冷机充排气”阶段所示，期间通过JT阀调节系统质量流量。受GM制冷机冷却和JT阀节流降温作用的影响，预冷温度T4和冷端换热器入口温度T5快速降低。由于冷端换热器热容较大、前期温度较高，氢工质进入冷端换热器后被加热，冷端换热器出口温度（制冷温度）T6上升，由此导致间壁式换热器低压侧入口温度上升，进而导致高压侧出口温度T3上升。T3的上升导致预冷换热器进口温度上升，甚至加热了GM制冷机冷头，致使其第二级制冷温度上升。预冷温度T4随着GM制冷机二级制冷温度的上升而上升，进而导致冷端换热器入口温度T5上升。冷端换热器受氢工质冷却，其温度T11逐渐降低。当T6温度曲线上升至与T11重合时，由于工质的持续冷却作用，T6转而随T11降低。T3随着T6的降低而降低，T3温度出现小幅波动主要是调节JT阀造成的。T3的持续下降导致T10、T4和T5在上升至一个峰值后降低。JT制冷机降温结束时，制冷温度T6稳定在20.8 K。此时JT制冷机高低压力分别为0.665 MPa和0.111 MPa，质量流量为38.22 mg/s。

图4 节流制冷单元降温过程Fig.4 Cool down process of the JT unit

2.2 冷量特性

根据JT制冷机参数优化结果[13]，冷量特性实验中预冷温度初步设定为30 K，对应的优化高压压力及质量流量分别为0.805 MPa和32.43 mg/s。开式实验中通过加热电阻H1的加热量调节预冷温度T4，通过调节与高压钢瓶相连的减压阀以维持高压压力ph恒定（考虑系统压降后，冷量特性实验中高压压力实际值比设计值0.805 MPa稍高），低压压力pl与环境压力和系统压降有关，实验中稳定在0.1 MPa左右。

制冷机降温结束后，通过加热电阻H2向冷端换热器施加10.19 W加热量（采用Keithley 2 700数字万用表测量加热电流和H2两端电压，加热量不确定度为0.011 W），T4、T5和T6变化如图 5所示。可以看出，温度变化经历了两个阶段：“升温”阶段和“再次降温”阶段，对应的质量流量变化如图6所示。

图5 加热量为10.19 W工况下节流制冷单元温度变化Fig.5 Temperature behavior of the JT unit when heat load was 10.19 W

图6 加热量为10.19 W工况下质量流量变化Fig.6 Mass flow rate behavior when heat load was 10.19 W

JT制冷机无负荷降温结束后，冷端换热器处有液氢积累。当热负荷作用于冷端换热器时，JT制冷机瞬时制冷量远小于加热量，液氢沸腾气化导致图6中“升温”阶段质量流量降低，由此导致JT制冷机瞬态的制冷量小于加热量，T6快速上升。此时，增大JT阀开度质量流量得以暂时上升但随后继续降低，反复改变JT阀开度导致该阶段质量流量出现波动。“升温”阶段初期，调节H1加热量使T4上升至30 K（设定值）左右，但由于随后质量流量降至3 mg/s左右，受预冷机冷却，T4下降至22 K。随后通过反复调节H1加热量和增大质量流量，T4可基本稳定在30 K左右。当T6上升至64 K时，通过调节JT阀开度，质量流量不断上升。此后，T6逐渐降低直至稳定。实验“升温”阶段多次增大JT阀开度导致“再次降温”阶段初期质量流量超过设定值（32.43 mg/s），此时需减小JT阀开度以调节质量流量。“再次降温”阶段后期，质量流量逐渐稳定在40.21 mg/s。此时质量流量超过设定值，JT制冷机冷量未被完全利用，冷端换热器出口带液。后续实验中可系统验证高压压力及预冷温度对JT制冷机冷量的影响。加热量10.19 W工况下JT制冷机稳定运行时主要热力学参数如表2所列。