LIU S S，DONG C Q，CHEN Z C，et analysis and preliminary test of a JT cryogenic system operating at liquid helium temperature zone precooled by two independent PTRs[J].Vacuum and Cryogenics，2020，26（3）：179-184.

0 引言

近几十年来，随着空间天文学的蓬勃发展，各式各样的空间探测器已成功发射。远红外探测、毫米波辐射探测以及深空探测等均要求探测器核心元件工作在深低温环境中，以实现高精度探测。液氦温区是目前深低温探测器主流的工作温区，同时也是更低（mK）温区的预冷温区。因此空间液氦温区制冷技术是实现多种空间探测任务的关键技术之一[1-2]。

随着地面用深低温制冷机技术的发展，机械制冷机已实现小型化、高效率和长寿命等目标，使得机械制冷机得以广泛应用于空间探测领域。其中JT制冷机是实现液氦温区的主流方式之一。目前，空间液氦温区JT制冷技术主要由日本宇宙开发局（JAXA）、美国航天局（NASA）等机构掌握，部分机型已成功在轨运行[2-3]。2009年，由JAXA主导开发的超导亚毫米波段辐射探测器（SMILES）发射升空，为保证探测器正常工作，SMILES选用了一台4He JT节流制冷机进行液氦温区制冷。该JT节流制冷机采用一台两级斯特林制冷机预冷，在SMILES任务中，该制冷机可以在4.5 K提供30 mW的制冷量[4-8]。2001年NASA意识到对于未来空间探测，最关键的工程技术之一是为这些项目的低噪探测系统提供长期的6 K及6 K以下温区的冷却，为此启动了先进低温制冷机技术发展计划（ACTDP）[9-10]。NGAS提出的脉管制冷机预冷JT制冷系统具有较高的制冷效率以及极高的可靠性，最终被选用于詹姆斯·韦伯太空望远镜上。该系统采用一台三级脉管制冷机对JT制冷机进行多温度位预冷，在输入功率为385 W时，脉管预冷机在10 K下可提供250 mW的制冷量。文献[10]对该三级脉管制冷机预冷JT系统的发展进行了总结，在高压压力为0.9 MPa，低压压力为0.3 MPa，各级间壁式换热器效率为0.99，三级预冷温度依次为100、40、18 K时，最佳制冷性能为113 mW@6 K[9-14]。中国科学院理化研究所开展了脉管制冷机预冷JT制冷机的研究工作，对该制冷机的不同改进分别可以获得2.65 K的无负荷制冷温度及在5 K下100 mW的制冷量[15-16]。浙江大学以GM制冷机为预冷平台对预冷型JT制冷系统开展了深入的研究工作[17-19]。

为满足未来液氦温区空间应用的需求，中国科学院上海技术物理研究所也开展了液氦温区空间制冷技术的相关研究，实验测试了第二级预冷温度以及高压压力对最大制冷量的影响[20]，采用单级线性压缩机驱动的两级预冷闭式节流系统获得3.91 K最低温度，可以在4.09 K提供10.80 mW的制冷量[21]。本文针对脉管制冷机预冷的JT制冷技术，基于热力学方法对流程进行了关键参数计算分析，研制了一套小型液氦温区脉管/JT制冷机，并介绍了初步实验测试性能。

1 两级预冷JT制冷机热力学分析

采用两级预冷的液氦温区JT制冷系统流程如图1所示，包括一台两级预冷制冷机（可以采用斯特林制冷机、脉管制冷机或复合制冷机）、大压比线性压缩机组、间壁式换热器I、II和III、第一级预冷换热器3、第二级预冷换热器6、节流小孔和冷端换热器。工质的流动方向如图1中箭头所示，氦工质在压缩机组中压缩至高压后，依次流经间壁式换热器I的高压侧、一级预冷换热器、间壁式换热器II高压侧、二级预冷换热器、间壁式换热器III高压侧，经过节流小孔后的低压气体依次流经冷端换热器，间壁式换热器III低压侧、间壁式换热器II低压侧和间壁式换热器I低压侧，再次回到压缩机组形成闭式循环。图中1～8为高压侧状态点，9～15为低压侧状态点。

图2为对应图1的典型循环压焓图，通过对系统流程进行建模研究，得出目标工况下的最佳运行参数。

图1 预冷型JT制冷系统流程图Fig.1 Precooling JT cryogenic system process

图2 典型循环压焓图Fig.2 P-h diagram of the typical cycle

依据建立热力学模型的需求进行前提假设：不考虑工质流动的沿程阻力损失，不考虑预冷级换热温差。对各部件的理想模型分别进行阐述。

1.1 逆流换热器及节流元件

本系统选用的三个换热器均为逆流式套管换热器。套管换热器具有结构简单、可靠性高、换热性能优异等特点，目前已广泛应用于液氦温区JT节流制冷系统中。

对于逆流式套管换热器，存在最大可能换热量为：

由于换热器换热效率一般小于1，故实际换热量为：