空间超流氦温区节流制冷机气液分离机理与线性压缩机动态特性研究

4.5K hybrid JT cryocooler is widely used in space exploration. But for far-infrared space detection, temperature of 2K (superfluid helium temperature) is required. Compared to 4.5K JT cooler precooled by high frequency pulse tube cryocooler, the linear compressors of 2K JT cooler must be able to provide lower evaporation pressure and higher pressure ratio for JT cycle. Besides, the gas-liquid separation in evaporator and heat transfer mechanism in counter-flow heat exchanger are much more complicated. In this project, the dynamic characteristics of the JT compressor will be studied on the basis of its dynamic model. Then, theoretical analysis and experimental research are carried out to reveal the mechanism of gas-liquid separation of superfluid helium. This study will enhance space cooling technology of our country and provide a good foundation for future far-infrared exploration.

预冷型节流制冷机是空间液氦温区制冷技术的研究热点，而在远红外深空探测领域，就要求制冷系统能够提供超流氦温区甚至更低的温度。而利用多级高频脉冲管预冷节流循环获取超流氦温区的研究，可为我国未来的红外和远红外深空探测奠定坚实的基础。相对于空间液氦温区节流制冷机，超流氦温区节流制冷机需要线性压缩机提供更低的蒸发压力，并且在蒸发器的气液两相分离以及在逆流换热器的流动换热机理更加复杂。本项目将基于线性压缩机的动力学模型，针对低吸气压力时的线性压缩机动态特性进行深入研究，探索提升压缩机性能的途径；通过理论分析和实验研究，揭示超流氦在节流循环蒸发器和逆流换热器中的两相分离规律和流动换热特性，建立相应的理论分析模型，为空间超流氦温区节流制冷机的研制提供理论依据，并对我国空间超流氦低温技术的发展奠定基础。

空间节流制冷技术是空间科学探测的关键支撑技术，同时也是空间获取超流氦温区温度的主流方案。本项目针对空间超流氦温区节流制冷机中的工质流动换热特性和有阀线性压缩机的动态特性进行了深入的理论分析和实验研究，揭示了工质气液两相分离特性及其在逆流换热器的流动换热机理，并基于线性压缩机动态特性对多级有阀线性压缩机系统进行了优化。基于此，成功研制了一台适于空间应用的超流氦温区节流制冷机，并分别利用4He和3He工质对制冷机开展了实验研究。在国际上首次采用4He工质获取超流氦温区（2.12K）的温度，也是空间节流制冷机采用4He工质闭式循环获得的最低温度。然后，利用3He作为工质，制冷机总功耗276W时，获取了1.44K的最低无负荷温度。通过本项目的研究，填补了我国在空间超流氦温区节流制冷技术研究领域的空白，并且能够为我国未来空间科学探测提供有力支撑。