2020, Vol. 36
气体在管路中遇到突然的体积变化，会因局部阻力产生压力显著下降的等焓节流。实际气体在等焓节流前、后温度随压力骤降发生较大变化的现象为焦耳−汤姆逊（J−T）效应。J−T效应节流制冷系统因结构简单、降温迅速、运行可靠等优点，在红外探测元件和导弹制导装置的冷源、计算机芯片等小型电子设备散热以及冷冻医疗手术等领域得到应用。因其应用领域或场合的不同，采用J−T效应节流制冷技术设计的制冷系统的形式存在差别。根据系统中制冷工质是否循环分为开式系统和闭式系统；根据系统中驱动组件形式的不同主要分为机械式压缩机驱动的J−T效应节流制冷系统和吸附式J−T效应节流制冷系统。而且对于应用于液氦温度的J−T效应节流制冷系统，为了使制冷工质在节流前达到转化温度，往往采用预冷方式。本文就以上系统分类对J−T效应节流制冷系统的研究进行总结。
1 开式J−T效应节流制冷系统开式J−T效应节流制冷系统一般以高压气瓶提供系统制冷所需的气源。开式系统整体没有移动部件，组成简单且安全可靠，在J−T制冷技术研究初期应用较多。开式J−T效应节流制冷系统一般由气源、换热器、节流阀及膨胀器组成，其系统原理图如图1所示。
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图 1 开式J−T效应节流制冷系统原理图 Fig.1 Schematic diagram of open cycle J-T refrigeration system |
提供高压气源的方式有连续气流源或储气瓶两种，制冷工质可以为单一气源提供的纯工质，一般选用常温下具有较大J−T系数的氮气、氩气、二氧化碳等工质，也可以为多个气源混合处理得到的混合工质。Gross［1］在以氮气为制冷工质的开式J−T节流制冷系统中分析了压力调节器对这两种供气方式的影响。图2为开式系统试验设备图[2]。外部的高压气体通过气体净化装置，进入J−T效应制冷器节流制冷，随后排入大气。结果表明，工质流经连续气流源的制冷系统中的压力调节器后温度会升高，而在储气瓶提供气源的系统中，工质流经压力调节器后温度变化不大。
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图 2 开式系统试验设备图 Fig.2 Equipment of open cycle system |
开式系统组成简单，运行稳定，可用来研究系统中特定组件或比较不同工质的制冷性能。Alberti等［2］通过J−T效应节流制冷系统测试了用于冷却X光探测器的小型J−T液化器的性能。该系统以高压气瓶为气源，电控启停信号控制，气体过滤器净化气体。选择氮气作为制冷工质并通过电子阀控制，且电子阀仅在光谱检测开始工作时才开启，该系统从室温300 K可降至80 K。Hong等［3］采用4～10 MPa的高压气瓶提供气源，在开式制冷系统中比较了氩气与氮气两种工质在微型J−T效应节流制冷系统中的性能。结果表明，氩气在10 MPa的进气压力下，冷端温度达到100 K时用时1.4 min，比氮气快1.43倍，且微型J−T效应节流制冷系统的冷端温度可稳定在90 K。开式微型J−T效应节流制冷系统也被用于研究与验证工质在J−T效应制冷器中的流动与换热特性。例如，Narayanan等［4］选用开式试验系统来测试其微通道J−T效应制冷器，用以理解其内部复杂的对流及导热问题，同时提出了其中换热器的一些设计准则。
近年来，一些超低温J−T效应节流制冷的研究中也采用了开式系统。Jahromi等［5］设计了一种获得超低温的开式J−T效应制冷循环系统。该系统通过两级换热器保证高、低压工质换热充分，且将制冷系统的换热器、节流阀以及蒸发腔置于杜瓦箱中以控制热损失，并采用氦气为实验工质。结果表明，最低制冷温度为1.39、1.65 K时可获得150 mW的制冷量。
从上述文献可以看出，开式J−T效应节流制冷系统使用高压气瓶或稳定气流提供气源，使得系统运行稳定，且多用于测试制冷工质或J−T节流制冷器的实验研究中。但开式系统也因为缺少驱动组件不能实现制冷工质的循环使用，一方面将工质直接排放出系统造成工质的浪费，同时也会带来一定的危险性，例如，采用可燃性气体为工质，并将其排放到空气中等；另一方面也限制了开式系统在长期使用的冷却设备上的应用。
2 闭式J−T效应节流制冷系统J−T节流制冷系统因结构简单、降温迅速等优势，在不同应用领域得以推广，但早期的开式系统不能满足需长期运行的场合，因此可循环工作的闭式J−T节流制冷系统应运而生。闭式J−T效应节流制冷系统中由压缩机提供的驱动力促使制冷工质被压缩至高压，并在制冷系统中周而复始地循环。
闭式J−T效应节流制冷系统具有可长期循环使用、污染少等优点，相较于开式系统，闭式系统结构更为复杂。图3为闭式单级J−T节流制冷系统原理图。该系统中制冷剂由压缩机加压至所需压力，经冷凝器冷却后进入回热换热器，高、低压流体完成换热，然后在节流结构中节流制冷，再经过蒸发器吸收热源后流经换热器低压通道，最后再次进入压缩机进行循环。根据闭式J−T效应节流制冷系统中使用驱动压缩机的不同可分为机械式压缩机驱动的J−T效应节流制冷系统和吸附式J−T效应节流制冷系统。
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图 3 闭式单级J−T效应节流制冷系统原理图 Fig.3 Schematic diagram of closed cycle J-T refrigeration system with single stage |
闭式系统中压缩机种类不同，对J−T效应制冷性能的影响不同。机械式压缩机在制冷系统中被广泛采用，其中机械式压缩机按照压缩原理的不同可以分为离心压缩机、线形压缩机、活塞压缩机等。目前制冷系统中可应用的压缩机压比不太高，制约了单一工质为制冷剂的系统的制冷性能，故闭式系统中多采用压比要求不高、制冷性能优良的混合工质。
根据所需的工质压力选择具有合适压比的压缩机驱动，一般单级压缩机的压比在1～5之间，Derking等［6］在单级J−T节流制冷实验系统中采用CH4/C2H6/C4H10为三元混合工质，由线性压缩机将工质压缩至0.94 MPa后，工质通过一款单级矩形微通道J−T效应制冷器节流制冷，可达到150 K的冷端温度，制冷量为46 mW。返流的低压气体压力为130 kPa。Narasimhan等［7］在单级J−T制冷系统中，采用氮气、氖气和烷烃（CH4/C2H6/C3H8）组成的混合工质，对往复式压缩机性能的影响进行了实验研究，其中压缩机的压比为3.2～5.3，高压气体被压缩后进气压力为1 500～2 000 kPa，节流膨胀后压力为0.1～0.5 MPa，得出了不同组分的混合工质对效率η = Wisen/Wactare（其中Wisen、Wactare分别为压缩机的等熵和实际机械功率）没有影响。Ardhapurkar等［8］选用单级压缩闭式系统，实验研究了氮气和烷烃化合物组成的混合工质在J−T效应循环中两相流的情况，实验结果显示，回热换热器中传热系数在871～1 169 W·m−2·K−1之间波动，热流体从入口到出口压降为初始压力的5%～8%。
采用二级或多级压缩驱动，可以获得10以上的高压比，并实现更低的制冷温度。压缩机的压比等性能对制冷系统整体制冷效果影响很大，故提高压缩机的性能至关重要。有学者主要对J−T效应节流制冷系统中的压缩机进行了研究。例如，Sobol等［9］在J−T制冷循环中对压电式压缩机的性能进行了实验研究，采用单压比均为5的压缩机组成二级压缩，总压缩比为25，选用氮气为实验工质，高、低压分别为2.2 、0.15 MPa。Gygax等［10］对高压氦气J−T效应液化器采用闭式系统进行了实验研究，系统由主、副两个压缩机组成两级换热制冷。图4为两级压缩的J−T效应节流制冷系统图。该系统制冷过程中气体工作压力在0.68～2 .00 MPa之间，气体节流膨胀后压力为0.1 MPa。将J−T节流制冷系统置于杜瓦装置中后，当冷端温度为4.2 K时，可获得250 mW的制冷量。Sato等［11］对运用于日本“Astro−H”卫星上的机械制冷器进行了热力性能及可靠性的优化。对该J−T制冷器制冷系统的修正改进主要有两方面：一方面是对压缩机性能的改进，采用两级压缩；另一方面是在高压入流至换热器之间加入吸气剂，以清理工质中的杂质。改进后的制冷系统采用两级预冷并先后采用三级换热器在冷热流体间换热，在J−T制冷器冷端温度达到4.5 K的情况下可以获得40 mW的制冷量。在以上研究基础上，Sato等［12］为了获得1 K的低温，于2015年提出了四级压缩J−T效应节流制冷器系统，实验工质为He3，在冷端温度达到1.7 K时，能获得10 mW的制冷量。Wiegerinck等［13］对不同的闭式J−T效应制冷循环的研究结果表明，采用二级压缩系统比单级压缩制冷效率提高3倍。若再添加内预冷装置，制冷效率会再提高3倍；若将预冷装置改为外界提供，制冷效率能再提高2倍。Gong等［14］测试了一种二级循环J−T制冷系统，主路循环及预冷循环中所运用的换热器均为套管式换热器，J−T膨胀阀均为毛细管，其中主路循环采用氮气、氖气和烷烃（CH4/C2H6/C3H8）混合工质，预冷循环采用非共沸烷烃（CH4/C2H6/C3H8/C4H10/C5H12），预冷循环装有单个SC15CL压缩机，可将预冷工质节流降温至220 K，主路循环联立两个压缩机，预冷后的混合工质经节流可降温至80 K。
要获得更好的制冷效果，除了采用以上多级压缩以获得更大压比的方法外，也有研究者尝试采用多级J−T节流膨胀。例如，Narasaki［15］对两级J−T节流膨胀进行了数值分析，以3He、4He为制冷剂，制冷系统图如图5所示。该闭式J−T效应制冷系统中预冷装置为两级斯特林循环制冷。对两种冷端温度的工况进行了模拟，结果表明，采用两级J−T节流膨胀的制冷系统的性能优于具有单级节流膨胀的系统。在冷端温度为1 K时，可获得20 mW的制冷量，比单级节流提高了100%；在冷端温度为4 K时，可获得26 mW的制冷量，较单级节流提高了30%。一般单级压缩机的压比在5以内时基本可以满足制冷温区在150 K以上的制冷需求，但在空间红外探测、太空望远镜等一些制冷需求较低的场合需要通过增加压缩级数、回热换热级数或者J−T节流膨胀级数的方式，所获得的冷端温区在1～4 K之间。
2.2 吸附式J−T效应节流制冷系统
吸附式J−T效应节流制冷系统主要由压缩器部分和J−T节流制冷部分组成，如图6所示，其中J−T节流制冷部分一般包括预冷器、换热器、节流阀和蒸发器。吸附式J−T效应节流制冷系统无运动部件，具有寿命长、耗能少，且不存在电磁干扰等优点。
吸附式J−T效应节流制冷系统中多采用CO、Kr、CH4、N2、H2、Ne等为制冷剂，一般以活性炭、石墨、金属氢化物等为吸附剂。Jones等［16］在吸附式J−T效应节流制冷系统中进行了试验，分别研究了工质为活性炭/Kr与PCO/O2的制冷性能以及压缩机的能耗。结果表明，以活性炭/Kr为制冷剂时制冷温度为120～140 K，以PCO/O2为制冷剂时制冷温度为65～80 K，同时，Jones等通过比较同工况下机械式压缩机与吸收式压缩机驱动制冷系统的耗能情况发现，吸收式压缩机消耗的功率远小于普通机械式压缩机。对吸附式J−T效应节流制冷系统的研究也不局限于实验研究，也有很多研究结合了模拟计算。Bowman等［17］对压缩机在单级J−T效应节流制冷系统中的制冷性能进行了计算，采用的吸附剂为氢化钒，制冷剂为氢气。制冷剂的节流前高压为12 MPa，经J−T节流制冷后获得1.6 W的制冷量，其冷端温度为25 K，节流膨胀后制冷剂低压为0.3 MPa。Pearson等［18］研究了金属氢化物/氢气吸附式压缩机的闭式J−T效应节流制冷系统。该系统采用三级预冷，两级换热后J−T节流制冷。吸附式压缩机将制冷剂氢气的节流前压力提升至4.8 MPa，节流后压力为30 kPa，当制冷温度为20 K，制冷设备可提供1 W的制冷量。Tzabar等［19］研究了闭式J−T效应节流制冷系统内吸附式压缩机对不同纯工质制冷剂（氮气、甲烷、乙烷）制冷性能的影响，以活性炭为吸附剂，将所得到实验数据与主流的吸附式制冷系统模型结果进行比较发现，不同工质适用于不同的理论模型。为了得到较好的通用公式，Tzabar对Freundlich模型进行了改进，改进后的模型得到的模拟数据与采用氮气、甲烷或乙烷为工质时的实验数据较吻合。2012年，Tzabar等［20］在J−T节流制冷系统中，采用二元混合工质（氮/甲烷、氮/乙烷）为制冷剂时对系统的制冷性能进行了模拟研究，以活性炭为吸附剂，应用Langmuir和Sips两种吸收模型。结果表明：在相同温度时，采用氮气/甲烷为制冷剂比采用纯工质氮气为制冷剂可以获得更高的压缩压力；制冷循环时，混合工质中氮气浓度总是低于吸附时的初始浓度，且这种浓度偏移现象与制冷温度相关。Wu等［21］对纯工质在吸附式压缩J−T效应制冷系统中的制冷性能进行了试验研究，基于制冷系统的性能系数（coefficiency of performance，COP）最大化的方法，在低进口压力（0.02～1 MPa）下，选择在0～170 K范围内适合不同冷却温区的制冷剂。对由单级吸附式压缩机驱动的J−T冷却器的工作流体在65～160 K和16～38 K两种冷端工作温度范围进行了优化，结果发现，在65～160 K范围内氮气在微型J−T效应节流制冷系统中的制冷性能最好，其次是一氧化碳、甲烷和氪，而氢气和氖气适用于制冷温度为16～38 K；并且表明可以通过采用两级压缩制冷的方式获得低于87 K的冷端温度，在两级吸附式压缩节流制冷系统中氮气和一氧化碳是较为合适的制冷剂。
分析文献可以得出，吸附式J−T效应节流制冷系统一般应用于65～160 K、16～38 K两个温区，其中一氧化碳、甲烷、氮气和氪气等制冷剂适用于65～160 K的吸附式J−T节流制冷，氢气、氖气作制冷剂时可获得更低的制冷温度。如文献[20-21]中所述，为了获得更好的制冷效果，可以采用混合工质作为吸附式压缩节流制冷的制冷剂。例如，采用氮气/一氧化碳、氮气/甲烷、氮气/乙烷等，但混合工质在节流制冷系统中的特性较纯工质复杂，存在工质浓度偏移等问题；同时，也可以采用两级或者多级吸附压缩的方式获得更高的进气压力，以及采用多级预冷的方式降低制冷剂的节流前温度，以获得更好的制冷效果。
减少节流降温时间，尤其对于氦气等转化温度较低的J−T节流工质，需要预冷装置将其在进入J−T节流阀之前冷却至转化温度以下，才能使节流制冷达到液氦温区。预冷型J−T效应节流制冷循环是将两个甚至多个制冷循环复叠，其中一级循环的作用是为了下一级循环制冷，使下一级循环中的工质在节流前预冷至转化温度，其中采用的预冷循环方式多有不同，主要包括J−T制冷循环、斯特林制冷循环、G−M制冷机等［22-28］。
2.3 其他除了通过增加制冷级数与添加预冷装置等方式外，也有其他方法用于J−T效应节流制冷系统中以提高系统制冷效率。Prina等［29］针对J−T效应制冷系统提出了一种冷端温度控制方案[见图7(a)]，应用温度控制的J−T节流制冷系统，采集中间换热器的进、出口温度，压力等参数，调节入流高压气体温度，从而控制冷端温度。在20 K时氢气J−T效应回热换热系统的实验结果表明，设置温控装置的节流制冷系统的耗能只有40 W，比普通节流制冷系统所需耗能降低一半左右。YU［30］在蒸发腔后加入抽吸喷射装置构成新的J−T效应制冷系统[见图7(b)]，其系统制冷效率、制冷量与㶲效率都得到显著提升。Gong等［31］研究了运行混合工质的三种J−T制冷系统，如图7(c)所示。该系统中增加不同配置的J−T节流制冷循环系统，其中：循环A即为普通的单级节流制冷系统；循环B、C中分别加入了一个、两个分相器。通过分相器，混合工质分离为气液两相，高沸点的液相组分节流预冷低沸点的气相组分，气相组分再进入J−T节流阀以获取更低的制冷温度。Lee等［32］对系统内涡流式压缩机过热现象进行了优化，并采用水冷方式对压缩机进行冷却，从而进一步提升了系统效率。
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图 7 其他形式的J−T效应节流制冷循环系统原理图 Fig.7 Schematic diagram of J-T refrigeration system with other modes |
以上研究中通过冷端温控、蒸发腔后增加喷射装置、增加分相器或者水冷压缩机等不同方式提升J−T效应节流制冷系统的制冷性能。这些结构的增减可以根据系统的需求进行设计。
3 结束语开式J−T效应节流制冷系统结构简便、气源稳定。在实验过程中，系统中的其他设备对J−T效应制冷器的影响较小，适用于需短时间快速冷却的对象，以及可靠性及稳定性要求高的场合。
对于需长期应用的场合，应用闭式循环更为现实。闭式J−T效应制冷系统内需安装压缩机等增压设备，且制冷性能受到压缩机类型、性能的影响。以离心压缩机、线形压缩机、活塞压缩机为主的机械式压缩机驱动的J−T节流制冷系统的制冷性能较开式系统有很大提升，一般单级压缩机的压比在5以内就基本可以满足制冷温区在150 K以上的制冷需求。但在空间红外探测、太空望远镜等一些需要较低制冷温度的场合则需要通过增加压缩级数、回热换热级数或者J−T节流膨胀级数等方式来实现，所获得的冷端温区在1～4 K之间。
机械式压缩机驱动的J−T节流制冷系统与吸附式J−T效应节流制冷系统分别以不同形式的压缩机装置为制冷系统驱动循环。机械式压缩机压缩过程中需要消耗机械功，机械功通常由电能提供；而吸附式压缩机是由工质对的相变制冷驱动，能耗少，且无运动部件。吸附式J−T效应节流制冷系统一般应用于65～160 K、16～38 K两个制冷温区，其中一氧化碳、甲烷、氮气和氪气等制冷剂适用于65～160 K的吸附式J−T节流制冷，氢气、氖气作制冷剂时可获得更低的制冷温度。为了获得更好的制冷效果，可以采用混合工质作为吸附式压缩节流制冷的制冷剂，例如氮气/一氧化碳，氮气/甲烷，氮气/乙烷等，同时，也可以采用两级或者多级吸附压缩的方式获得更高的进气压力，以及采用多级预冷的方式降低制冷剂的节流前温度，以获得更好的制冷效果。
J−T效应节流制冷系统具有冷却速度快、性能可靠、制冷效果显著等诸多优势，因此在许多领域得到应用。为了获得更理想的制冷效果，也可以丰富制冷系统中的其他结构，例如，通过增加多级回热换热以及多级J−T节流等多种形式丰富制冷系统；同时，系统中使用多元混合工质以获得更广泛的制冷温区。通过以上多种方式丰富J−T节流制冷系统，提升其制冷性能，使J−T效应节流制冷系统在更多应用场合具有可观的发展前景。
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