空间用液氦温区高效复合型回热式低温制冷机理研究结题摘要

液氦温区低温制冷技术在空间探测、国防军事、低温超导、能源、医疗等涉及国计民生等方面具有广泛的应用潜力。大部分探测器在液氦温区（或更低温度）下工作可获得高的敏感度和分辨率，而研制紧凑高效轻量长寿命的液氦温区低温制冷技术成为空间探测的根本保障！相比携带液氦或超流氦的杜瓦方式和吸附压缩驱动方式，本项目提出的斯特林/脉管复合型回热式制冷技术具有结构紧凑，可靠性高及长寿命的潜在优势，在本项目的支持下以斯特林/脉管复合型回热式制冷技术为核心开展了如下的研究： 1. 液氦温区回热式制冷机理研究及结构创新 首次揭示了回热器在液氦温区和高温温区温度分布不同的内在机理，指明了非理想气体效应引起的时均压力焓流对回热器温度分布的决定性影响，为液氦温区高效回热器的优化设计提供了理论基础。基于理论分析结果，提出了一系列的可实现液氦温区回热式制冷的新结构，申请国家发明专利并获得授权。提出了一套包括回热器在内的脉管制冷机整机高效建模分析方法, 30 K温区脉管制冷机的相关实验结果已成功证明该模型的准确性。提出了带声功放大器的惯性管调相方式，获得美国专利授权。 2. 斯特林/脉管复合型制冷机理理论及实验研究 从理论上研究了斯特林/脉管复合型制冷机的制冷机理和级间耦合匹配关系，首次提出了斯特林/脉管复合型制冷机的三种工作模式的判据(斯特林级制热模式、斯特林级制冷但净制冷量不足以及正常工作模式)。理论分析和实验测试结果表明，脉管级的引入使得原斯特林级的压力与排出器之间的相位和压力波动幅值均减小，从而导致斯特林级的制冷量减小或者不再制冷。基于该发现提出了一种斯特林/脉管制冷机的设计方法，后续将基于该设计方法完成液氦温区高效复合型回热式制冷机的研制。 3. 可逼近卡诺效率的脉管级联制冷法研究 理论研究了惯性管(传输管)的相位调节特性，基于该研究提出了基于传输管的可逼近卡诺效率的声功回收型级联脉管制冷机新概念，该级联结构中每一级制冷机由回收自前一级制冷机脉管热端的声功来驱动，通过热力学分析表明，无穷级级联制冷效率等于卡诺效率。这一结论在脉管本征制冷效率[Tc/Th]和卡诺效率[Tc/(Th-Tc)]之间搭建了一座桥梁。实验结果表明，压缩机输入功为500 W时，两级级联较单级制冷效率提高约33.3%，三级级联提高39.9%，从实验上验证了脉管级联制冷法对能量回收再利用的能力。 2100433B

空间80K温区低温技术的实践证明，有运动部件的斯特林制冷技术可以实现长寿命和低振动，而无运动部件的脉管制冷技术存在膨胀功无法回收的本征低效率，能否结合两者的优点，避免两者的缺点，组合成更为高效更低温区的斯特林/脉管复合型液氦温区低温制冷技术？结合申请人近年来在高频液氦温区回热式制冷技术方面的研究基础和对相关关键科学问题的深入认识，以及国际上复合型回热式低温制冷技术的最新研究成果，本项目拟以斯特林/脉管复合型回热结构为载体，综合传热学、有限时间热力学和流体力学等相关理论，致力于解决液氦温区回热器在有限比热容有限时间条件下（高频）的高效换热、交变流动声功和压力的高效传输、小声功条件下高效调相等关键问题，最终实现在液氦温区下的高效高可靠长寿命回热式制冷方法。本项目的研究成果将为最终研制出满足空间应用特点的液氦温区回热式低温制冷技术奠定基础，以满足国家中长期空间探测计划的顺利实施。

低温制冷机的分类方法很多，例如可以按其用途、制冷工质或机器结构来分类；也可按其工作温区，制冷量大小和换热方式来分类。要是按制冷温度分类，低温制冷机指的是一种在低于120K的温度下产生制冷量的机器或装置。低温制冷机的制冷量的大小，与其提供制冷量的温度有很大的关系。例如，基于卡诺循环的理想制冷机，在120K提供1W制冷量，只需29W能量输入；若在0.5K提供lW制冷量，则需20多倍即600W的能量。而且实际制冷机需求的能量，往往比理论值大几十倍，甚至数百倍，因为制冷机在实际工作过程中，要克服多项不可逆损失，这些损失将由制冷机的理论制冷量来补偿。因此，低温制冷机实际输出的可用制冷量，是其理论制冷量与实际工作过程中所有损失能量之和的差值。

自从20世纪50年代第一台整体式斯特林制冷机问世以来，经过半个世纪的研究和发展，各种回热式低温制冷机相继出现 。应用于低温电子器件、红外探测器、超导器件和线圈的冷却，在军事(导弹制导、红外前视、夜视、热像仪等)和民用(超导磁共振成像、低温冷凝真空泵及科学研究)都获得了重要应用。特别是自1985年以来，4K温度级G-M制冷机和脉管制冷机的研制成功大大推动了低温技术的发展。本章简要介绍近年来小型回热式低温制冷机的研究和发展概况，包括斯特林循环制冷机、吉福特-麦克马洪循环制冷机、脉管制冷机和热声制冷技术。

低温控制斯特林循环制冷机

在小型低温制冷领域，斯特林循环制冷机是发展历史最长、研究水平最成熟的机种之一，在军事及空间技术中获得了重要的应用。

1816年斯特林提出了一种由两个等温过程和两个等容回热过程组成的闭式热力学循环，称为斯特林循环。斯特林循环最初是作为热机循环提出的，到19世纪60年代柯克把斯特林循环的逆循环用于制冷，后者称为逆向斯特林循环，也称斯特林制冷循环。

低温控制吉福特-麦克马洪循环制冷机

1956年，美国学者吉福特和麦克马洪发明了一种利用放气制冷原理并能连续工作的低温制冷机，称为吉福特-麦克马洪循环制冷机，简称G-M制冷机。它的前身是1873年由澳大利亚学者帕斯托提出的“无功膨胀”制冷机。即用一个不受力的“排出器”来代替承受膨胀功的活塞，因而有时也称G-M制冷机为帕斯托制冷机。另一种同类型的制冷机是依据德国索尔文在1887年提出的有功膨胀机改进而成。改进型索尔文制冷机于1971年由朗斯沃茨提出，采用气动型排出器来代替原来的活塞。因此，改进型索尔文制冷机与G-M制冷机已经没有实质性区别。

低温控制脉管制冷机

该方案的基本原理是利用高低压气体对脉管空腔的充放气过程而获得制冷效果的，其制冷过程如下：高压气体通过切换阀流经回热器、换热器、导流器以层流形式进入脉管，迅速推挤管内气体向封闭端移动，同时使之压缩，温度升高，在脉管封闭端气体的温度达到最高值；布设在封闭端的水冷却器将热量带走，管内气体因放热，其温度和压力稍有降低；切换阀转动使系统内气体接通低压气源，脉管中的气体又以层流形式渐次向气源扩张，气体膨胀降压而获得低温；切换阀再次切换，使系统与气源高压侧连通，重复上述循环。这样在脉管制冷机运行时，脉管内气体轴向始终存在一个温度梯度，入口端温度低，封闭端温度高。

低温控制热声制冷技术

热声振荡是将热能在一定条件下转变为声能的过程。根据热声振荡原理可以研制成热声发动机或热声制冷机。由于热声机械没有运动部件，因此可实现长寿命运转。热声机械可采用热能(燃气、太阳能等)驱动，它的应用将为合理利用低品位能源、提高系统的热力效率开辟新的途径。

在低温温区，由于负温度系数使得电阻很高则焦耳热也较大，而电阻本身的热导较小，焦耳热不易传走，这样由工作电流引起电阻本身升温而影响了测温精度，这称为自热效应，锗电阻在液氦温区的自热效应约10mK·μW，所以其工作电流应随所测量的温区而变化，在20K时可用100μA，在1K温区时应采用0.5μA。2100433B