空间液氦温区机械式制冷技术发展现状及趋势

在介绍已发射和在研液氦温区低温探测器的任务目标和对低温系统性能要求的基础上,分析了空间用液氦温区机械式制冷技术的设计方法和工作性能,并对其发展趋势进行了展望.当前空间液氦温区机械式制冷技术主要采用线性压缩机驱动的预冷型4 He和3 He J-T节流制冷技术,而对于提供预冷的斯特林制冷机、吸附制冷机和高频脉管制冷机而言,进一步提高制冷效率是实现整机高效运行的关键.

液氢温区直接节流制冷新流程热力学分析

低温制冷机是液氢长期在轨零蒸发贮存的关键技术之一。节流制冷机无低温运动部件,具备系统简单和可连续制冷等优点。本文提出了液氢温区直接节流制冷新流程,拟采用回热式制冷机或者液氢储罐排气冷量为其提供32K以下的预冷量,有潜力实现快速降温和高效制冷。采用热力学方法对于给定液氢温区10W的制冷量要求,以等温压缩功为优化目标对该制冷机进行优化。分析得到了优化等温压缩功及其对应的优化高压压力和预冷量与预冷温度之间的变化关系。结果表明:当预冷温度低于32K时,直接节流制冷机在优化工况下运行时与典型节流制冷机性能接近,但其结构得到简化,稳定性高且制冷机降温初期无需旁通。

氖气液化工艺参数优化分析

目前适用于实验室用小型氖气液化方法主要有液氮预冷后节流液化以及制冷机提供冷量直接液化,基于Aspen HYSYS软件针对上述两种液化工艺流程进行了仿真计算,分析了进气压力和预冷温度对节流后氖的干度及进气压力和制冷量对制冷机做冷源时氖液化量的影响规律。结果表明,随着进气压力从20×105 Pa增大到200×105 Pa,节流前能够使氖气液化的最高预冷温度从43.6 K增大到68.3 K,且节流前采取气体回热可有效降低预冷温度。在使用两级G-M制冷机直接液化流程中,一级冷量预冷后的氖液化量约为未预冷时的3倍。

液氢温区直接节流JT制冷机降温实验

空间用大冷量低温制冷机是实现液氢长期在轨零蒸发贮存的关键技术之一。预冷型液氢温区直接节流JT制冷机无低温运动部件,结构简单,降温过程无需旁通,具备实现空间大冷量制冷的潜力,可单独实现冷量远距离传输。采用直接节流流程方案搭建了用GM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,阐述了制冷过程,分析了降温过程存在的问题,在20.8 K测得了10.19 W制冷量。

2 K温区两级节流JT制冷机热力学分析

2 K温区在深空探测、亚毫米波探测、低温超导以及量子信息等众多领域中具有独特应用,基于此背景,本文开展了2K温区两级节流JT制冷机的理论和实验研究,建立了制冷机模型,进行了两级节流热力学分析,并对其关键运行参数进行分析与优化。在相同的制冷温度下,所研制的2 K温区两级节流JT制冷机较单级节流JT制冷机性能(8 m W@2.2 K)有37.5%的提升,在2.2 K能获得11 m W的制冷量,且最低无负荷温度能达到2.13 K。

2K温区复合制冷机发展

基于多级斯特林制冷机或多级脉管制冷机预冷节流制冷循环的复合制冷机,结合了回热式制冷与等焓节流的各自优势,具有高效率、低振动、寿命长等优势,使其在深空探测领域受到越来越多的关注。简要介绍了复合制冷机的基本结构,重点概述了复合制冷机在2 K温区的国内外应用情况与研究进展。展望了这种极具潜力的低温制冷技术的未来发展趋势。