J-T效應節流制冷系統的研究進展

耿 暉，崔曉鈺，佘海龍

（上海理工大學 能源與動力工程學院，上海 200093）

氣體在管路中遇到突然的體積變化，會因局部阻力產生壓力顯著下降的等焓節流。實際氣體在等焓節流前、后溫度隨壓力驟降發生較大變化的現象為焦耳-湯姆遜（J-T）效應。J-T效應節流制冷系統因結構簡單、降溫迅速、運行可靠等優點，在紅外探測元件和導彈制導裝置的冷源、計算機芯片等小型電子設備散熱以及冷凍醫療手術等領域得到應用。因其應用領域或場合的不同，采用J-T效應節流制冷技術設計的制冷系統的形式存在差別。根據系統中制冷工質是否循環分為開式系統和閉式系統；根據系統中驅動組件形式的不同主要分為機械式壓縮機驅動的J-T效應節流制冷系統和吸附式J-T效應節流制冷系統。而且對于應用于液氦溫度的J-T效應節流制冷系統，為了使制冷工質在節流前達到轉化溫度，往往采用預冷方式。本文就以上系統分類對J-T效應節流制冷系統的研究進行總結。

1 開式 J-T 效應節流制冷系統

開式J-T效應節流制冷系統一般以高壓氣瓶提供系統制冷所需的氣源。開式系統整體沒有移動部件，組成簡單且安全可靠，在J-T制冷技術研究初期應用較多。開式J-T效應節流制冷系統一般由氣源、換熱器、節流閥及膨脹器組成，其系統原理圖如圖1所示。

圖1 開式 J-T 效應節流制冷系統原理圖Fig. 1 Schematic diagram of open cycle J-T refrigeration system

提供高壓氣源的方式有連續氣流源或儲氣瓶兩種，制冷工質可以為單一氣源提供的純工質，一般選用常溫下具有較大J-T系數的氮氣、氬氣、二氧化碳等工質，也可以為多個氣源混合處理得到的混合工質。Gross［1］在以氮氣為制冷工質的開式J-T節流制冷系統中分析了壓力調節器對這兩種供氣方式的影響。圖2為開式系統試驗設備圖[2]。外部的高壓氣體通過氣體凈化裝置，進入J-T效應制冷器節流制冷，隨后排入大氣。結果表明，工質流經連續氣流源的制冷系統中的壓力調節器后溫度會升高，而在儲氣瓶提供氣源的系統中，工質流經壓力調節器后溫度變化不大。

圖2 開式系統試驗設備圖Fig. 2 Equipment of open cycle system

開式系統組成簡單，運行穩定，可用來研究系統中特定組件或比較不同工質的制冷性能。Alberti等［2］通過J-T效應節流制冷系統測試了用于冷卻X光探測器的小型J-T液化器的性能。該系統以高壓氣瓶為氣源，電控啟停信號控制，氣體過濾器凈化氣體。選擇氮氣作為制冷工質并通過電子閥控制，且電子閥僅在光譜檢測開始工作時才開啟，該系統從室溫300 K可降至80 K。Hong 等［3］采用 4～10 MPa的高壓氣瓶提供氣源，在開式制冷系統中比較了氬氣與氮氣兩種工質在微型J-T效應節流制冷系統中的性能。結果表明，氬氣在10 MPa的進氣壓力下，冷端溫度達到100 K時用時1.4 min，比氮氣快1.43倍，且微型J-T效應節流制冷系統的冷端溫度可穩定在90 K。開式微型J-T效應節流制冷系統也被用于研究與驗證工質在J-T效應制冷器中的流動與換熱特性。例如，Narayanan等［4］選用開式試驗系統來測試其微通道J-T效應制冷器，用以理解其內部復雜的對流及導熱問題，同時提出了其中換熱器的一些設計準則。

近年來，一些超低溫J-T效應節流制冷的研究中也采用了開式系統。Jahromi等［5］設計了一種獲得超低溫的開式J-T效應制冷循環系統。該系統通過兩級換熱器保證高、低壓工質換熱充分，且將制冷系統的換熱器、節流閥以及蒸發腔置于杜瓦箱中以控制熱損失，并采用氦氣為實驗工質。結果表明，最低制冷溫度為1.39、1.65 K時可獲得150 mW的制冷量。

從上述文獻可以看出，開式J-T效應節流制冷系統使用高壓氣瓶或穩定氣流提供氣源，使得系統運行穩定，且多用于測試制冷工質或J-T節流制冷器的實驗研究中。但開式系統也因為缺少驅動組件不能實現制冷工質的循環使用，一方面將工質直接排放出系統造成工質的浪費，同時也會帶來一定的危險性，例如，采用可燃性氣體為工質，并將其排放到空氣中等；另一方面也限制了開式系統在長期使用的冷卻設備上的應用。

2 閉式 J-T 效應節流制冷系統

J-T節流制冷系統因結構簡單、降溫迅速等優勢，在不同應用領域得以推廣，但早期的開式系統不能滿足需長期運行的場合，因此可循環工作的閉式J-T節流制冷系統應運而生。閉式J-T效應節流制冷系統中由壓縮機提供的驅動力促使制冷工質被壓縮至高壓，并在制冷系統中周而復始地循環。

閉式J-T效應節流制冷系統具有可長期循環使用、污染少等優點，相較于開式系統，閉式系統結構更為復雜。圖3為閉式單級J-T節流制冷系統原理圖。該系統中制冷劑由壓縮機加壓至所需壓力，經冷凝器冷卻后進入回熱換熱器，高、低壓流體完成換熱，然后在節流結構中節流制冷，再經過蒸發器吸收熱源后流經換熱器低壓通道，最后再次進入壓縮機進行循環。根據閉式J-T效應節流制冷系統中使用驅動壓縮機的不同可分為機械式壓縮機驅動的J-T效應節流制冷系統和吸附式J-T效應節流制冷系統。

圖3 閉式單級 J-T 效應節流制冷系統原理圖Fig. 3 Schematic diagram of closed cycle J-T refrigeration system with single stage

2.1 機械式壓縮機驅動的J-T效應節流制冷系統

閉式系統中壓縮機種類不同，對J-T效應制冷性能的影響不同。機械式壓縮機在制冷系統中被廣泛采用，其中機械式壓縮機按照壓縮原理的不同可以分為離心壓縮機、線形壓縮機、活塞壓縮機等。目前制冷系統中可應用的壓縮機壓比不太高，制約了單一工質為制冷劑的系統的制冷性能，故閉式系統中多采用壓比要求不高、制冷性能優良的混合工質。

根據所需的工質壓力選擇具有合適壓比的壓縮機驅動，一般單級壓縮機的壓比在1～5之間，Derking等［6］在單級J-T節流制冷實驗系統中采用CH4/C2H6/C4H10為三元混合工質，由線性壓縮機將工質壓縮至0.94 MPa后，工質通過一款單級矩形微通道J-T效應制冷器節流制冷，可達到150 K的冷端溫度，制冷量為46 mW。返流的低壓氣體壓力為 130 kPa。Narasimhan 等［7］在單級J-T制冷系統中，采用氮氣、氖氣和烷烴（CH4/C2H6/C3H8）組成的混合工質，對往復式壓縮機性能的影響進行了實驗研究，其中壓縮機的壓比為3.2～5.3，高壓氣體被壓縮后進氣壓力為1 500～2 000 kPa，節流膨脹后壓力為 0.1～0.5 MPa，得出了不同組分的混合工質對效率η=Wisen/Wactare（其中Wisen、Wactare分別為壓縮機的等熵和實際機械功率）沒有影響。Ardhapurkar等［8］選用單級壓縮閉式系統，實驗研究了氮氣和烷烴化合物組成的混合工質在J-T效應循環中兩相流的情況，實驗結果顯示，回熱換熱器中傳熱系數在871～1 169 W·m-2·K-1之間波動，熱流體從入口到出口壓降為初始壓力的5%～8%。

采用二級或多級壓縮驅動，可以獲得10以上的高壓比，并實現更低的制冷溫度。壓縮機的壓比等性能對制冷系統整體制冷效果影響很大，故提高壓縮機的性能至關重要。有學者主要對J-T效應節流制冷系統中的壓縮機進行了研究。例如，Sobol等［9］在J-T制冷循環中對壓電式壓縮機的性能進行了實驗研究，采用單壓比均為5的壓縮機組成二級壓縮，總壓縮比為25，選用氮氣為實驗工質，高、低壓分別為2.2 、0.15 MPa。Gygax等［10］對高壓氦氣J-T效應液化器采用閉式系統進行了實驗研究，系統由主、副兩個壓縮機組成兩級換熱制冷。圖4為兩級壓縮的J-T效應節流制冷系統圖。該系統制冷過程中氣體工作壓力在 0.68～2 .00 MPa之間，氣體節流膨脹后壓力為0.1 MPa。將J-T節流制冷系統置于杜瓦裝置中后，當冷端溫度為4.2 K時，可獲得250 mW 的制冷量。Sato 等［11］對運用于日本“Astro-H”衛星上的機械制冷器進行了熱力性能及可靠性的優化。對該J-T制冷器制冷系統的修正改進主要有兩方面：一方面是對壓縮機性能的改進，采用兩級壓縮；另一方面是在高壓入流至換熱器之間加入吸氣劑，以清理工質中的雜質。改進后的制冷系統采用兩級預冷并先后采用三級換熱器在冷熱流體間換熱，在J-T制冷器冷端溫度達到4.5 K的情況下可以獲得40 mW的制冷量。在以上研究基礎上，Sato等［12］為了獲得1 K的低溫，于2015年提出了四級壓縮J-T效應節流制冷器系統，實驗工質為He3，在冷端溫度達到1.7 K時，能獲得10 mW的制冷量。Wiegerinck等［13］對不同的閉式J-T效應制冷循環的研究結果表明，采用二級壓縮系統比單級壓縮制冷效率提高3倍。若再添加內預冷裝置，制冷效率會再提高3倍；若將預冷裝置改為外界提供，制冷效率能再提高2倍。Gong等［14］測試了一種二級循環J-T制冷系統，主路循環及預冷循環中所運用的換熱器均為套管式換熱器，JT膨脹閥均為毛細管，其中主路循環采用氮氣、氖氣和烷烴（CH4/C2H6/C3H8）混合工質，預冷循環采用非共沸烷烴（CH4/C2H6/C3H8/C4H10/C5H12），預冷循環裝有單個SC15CL壓縮機，可將預冷工質節流降溫至220 K，主路循環聯立兩個壓縮機，預冷后的混合工質經節流可降溫至80 K。

圖4 兩級壓縮的節流制冷系統圖［9］Fig. 4 Throttling refrigeration system with two-stage compression［9］

要獲得更好的制冷效果，除了采用以上多級壓縮以獲得更大壓比的方法外，也有研究者嘗試采用多級J-T節流膨脹。例如，Narasaki［15］對兩級J-T節流膨脹進行了數值分析，以3He、4He為制冷劑，制冷系統圖如圖5所示。該閉式JT效應制冷系統中預冷裝置為兩級斯特林循環制冷。對兩種冷端溫度的工況進行了模擬，結果表明，采用兩級J-T節流膨脹的制冷系統的性能優于具有單級節流膨脹的系統。在冷端溫度為1 K時，可獲得20 mW的制冷量，比單級節流提高了100%；在冷端溫度為4 K時，可獲得26 mW的制冷量，較單級節流提高了30%。一般單級壓縮機的壓比在5以內時基本可以滿足制冷溫區在150 K以上的制冷需求，但在空間紅外探測、太空望遠鏡等一些制冷需求較低的場合需要通過增加壓縮級數、回熱換熱級數或者J-T節流膨脹級數的方式，所獲得的冷端溫區在1～4 K之間。

圖5 兩級節流膨脹的制冷系統圖［10］Fig. 5 Refrigeration system with two-stage throttling expansion［10］

2.2 吸附式 J-T 效應節流制冷系統

吸附式J-T效應節流制冷系統主要由壓縮器部分和J-T節流制冷部分組成，如圖6所示，其中J-T節流制冷部分一般包括預冷器、換熱器、節流閥和蒸發器。吸附式J-T效應節流制冷系統無運動部件，具有壽命長、耗能少，且不存在電磁干擾等優點。

圖6 吸收式 J-T 效應節流制冷系統原理圖［16］Fig. 6 Schematic diagram of J-T absorption refrigeration system［16］

吸附式J-T效應節流制冷系統中多采用CO、Kr、CH4、N2、H2、Ne 等為制冷劑，一般以活性炭、石墨、金屬氫化物等為吸附劑。Jones等［16］在吸附式J-T效應節流制冷系統中進行了試驗，分別研究了工質為活性炭/Kr與PCO/O2的制冷性能以及壓縮機的能耗。結果表明，以活性炭/Kr為制冷劑時制冷溫度為120～140 K，以PCO/O2為制冷劑時制冷溫度為65～80 K，同時，Jones等通過比較同工況下機械式壓縮機與吸收式壓縮機驅動制冷系統的耗能情況發現，吸收式壓縮機消耗的功率遠小于普通機械式壓縮機。對吸附式J-T效應節流制冷系統的研究也不局限于實驗研究，也有很多研究結合了模擬計算。Bowman等［17］對壓縮機在單級J-T效應節流制冷系統中的制冷性能進行了計算，采用的吸附劑為氫化釩，制冷劑為氫氣。制冷劑的節流前高壓為12 MPa，經J-T節流制冷后獲得1.6 W的制冷量，其冷端溫度為25 K，節流膨脹后制冷劑低壓為0.3 MPa。Pearson 等［18］研究了金屬氫化物/氫氣吸附式壓縮機的閉式J-T效應節流制冷系統。該系統采用三級預冷，兩級換熱后J-T節流制冷。吸附式壓縮機將制冷劑氫氣的節流前壓力提升至 4.8 MPa，節流后壓力為 30 kPa，當制冷溫度為20 K，制冷設備可提供1 W的制冷量。Tzabar等［19］研究了閉式J-T效應節流制冷系統內吸附式壓縮機對不同純工質制冷劑（氮氣、甲烷、乙烷）制冷性能的影響，以活性炭為吸附劑，將所得到實驗數據與主流的吸附式制冷系統模型結果進行比較發現，不同工質適用于不同的理論模型。為了得到較好的通用公式，Tzabar對Freundlich模型進行了改進，改進后的模型得到的模擬數據與采用氮氣、甲烷或乙烷為工質時的實驗數據較吻合。2012年，Tzabar等［20］在 J-T 節流制冷系統中，采用二元混合工質（氮/甲烷、氮/乙烷）為制冷劑時對系統的制冷性能進行了模擬研究，以活性炭為吸附劑，應用Langmuir和Sips兩種吸收模型。結果表明：在相同溫度時，采用氮氣/甲烷為制冷劑比采用純工質氮氣為制冷劑可以獲得更高的壓縮壓力；制冷循環時，混合工質中氮氣濃度總是低于吸附時的初始濃度，且這種濃度偏移現象與制冷溫度相關。Wu等［21］對純工質在吸附式壓縮J-T效應制冷系統中的制冷性能進行了試驗研究，基于制冷系統的性能系數（coefficiency of performance，COP）最大化的方法，在低進口壓力（0.02～1 MPa）下，選擇在0～170 K范圍內適合不同冷卻溫區的制冷劑。對由單級吸附式壓縮機驅動的J-T冷卻器的工作流體在65～160 K和16～38 K兩種冷端工作溫度范圍進行了優化，結果發現，在65～160 K范圍內氮氣在微型J-T效應節流制冷系統中的制冷性能最好，其次是一氧化碳、甲烷和氪，而氫氣和氖氣適用于制冷溫度為16～38 K；并且表明可以通過采用兩級壓縮制冷的方式獲得低于87 K的冷端溫度，在兩級吸附式壓縮節流制冷系統中氮氣和一氧化碳是較為合適的制冷劑。

分析文獻可以得出，吸附式J-T效應節流制冷系統一般應用于 65～160 K、16～38 K 兩個溫區，其中一氧化碳、甲烷、氮氣和氪氣等制冷劑適用于65～160 K的吸附式J-T節流制冷，氫氣、氖氣作制冷劑時可獲得更低的制冷溫度。如文獻[20-21]中所述，為了獲得更好的制冷效果，可以采用混合工質作為吸附式壓縮節流制冷的制冷劑。例如，采用氮氣/一氧化碳、氮氣/甲烷、氮氣/乙烷等，但混合工質在節流制冷系統中的特性較純工質復雜，存在工質濃度偏移等問題；同時，也可以采用兩級或者多級吸附壓縮的方式獲得更高的進氣壓力，以及采用多級預冷的方式降低制冷劑的節流前溫度，以獲得更好的制冷效果。

減少節流降溫時間，尤其對于氦氣等轉化溫度較低的J-T節流工質，需要預冷裝置將其在進入J-T節流閥之前冷卻至轉化溫度以下，才能使節流制冷達到液氦溫區。預冷型J-T效應節流制冷循環是將兩個甚至多個制冷循環復疊，其中一級循環的作用是為了下一級循環制冷，使下一級循環中的工質在節流前預冷至轉化溫度，其中采用的預冷循環方式多有不同，主要包括J-T制冷循環、斯特林制冷循環、G-M制冷機等［22-28］。

2.3 其他

除了通過增加制冷級數與添加預冷裝置等方式外，也有其他方法用于J-T效應節流制冷系統中以提高系統制冷效率。Prina等［29］針對J-T效應制冷系統提出了一種冷端溫度控制方案[見圖7(a)]，應用溫度控制的J-T節流制冷系統，采集中間換熱器的進、出口溫度，壓力等參數，調節入流高壓氣體溫度，從而控制冷端溫度。在20 K時氫氣J-T效應回熱換熱系統的實驗結果表明，設置溫控裝置的節流制冷系統的耗能只有40 W，比普通節流制冷系統所需耗能降低一半左右。YU［30］在蒸發腔后加入抽吸噴射裝置構成新的J-T效應制冷系統[見圖7(b)]，其系統制冷效率、制冷量與?效率都得到顯著提升。Gong等［31］研究了運行混合工質的三種J-T制冷系統，如圖7(c)所示。該系統中增加不同配置的J-T節流制冷循環系統，其中：循環A即為普通的單級節流制冷系統；循環B、C中分別加入了一個、兩個分相器。通過分相器，混合工質分離為氣液兩相，高沸點的液相組分節流預冷低沸點的氣相組分，氣相組分再進入J-T節流閥以獲取更低的制冷溫度。Lee等［32］對系統內渦流式壓縮機過熱現象進行了優化，并采用水冷方式對壓縮機進行冷卻，從而進一步提升了系統效率。

圖7 其他形式的J-T效應節流制冷循環系統原理圖Fig. 7 Schematic diagram of J-T refrigeration system with other modes

以上研究中通過冷端溫控、蒸發腔后增加噴射裝置、增加分相器或者水冷壓縮機等不同方式提升J-T效應節流制冷系統的制冷性能。這些結構的增減可以根據系統的需求進行設計。

3 結束語

開式J-T效應節流制冷系統結構簡便、氣源穩定。在實驗過程中，系統中的其他設備對J-T效應制冷器的影響較小，適用于需短時間快速冷卻的對象，以及可靠性及穩定性要求高的場合。

對于需長期應用的場合，應用閉式循環更為現實。閉式J-T效應制冷系統內需安裝壓縮機等增壓設備，且制冷性能受到壓縮機類型、性能的影響。以離心壓縮機、線形壓縮機、活塞壓縮機為主的機械式壓縮機驅動的J-T節流制冷系統的制冷性能較開式系統有很大提升，一般單級壓縮機的壓比在5以內就基本可以滿足制冷溫區在150 K以上的制冷需求。但在空間紅外探測、太空望遠鏡等一些需要較低制冷溫度的場合則需要通過增加壓縮級數、回熱換熱級數或者J-T節流膨脹級數等方式來實現，所獲得的冷端溫區在 1～4 K 之間。

機械式壓縮機驅動的J-T節流制冷系統與吸附式J-T效應節流制冷系統分別以不同形式的壓縮機裝置為制冷系統驅動循環。機械式壓縮機壓縮過程中需要消耗機械功，機械功通常由電能提供；而吸附式壓縮機是由工質對的相變制冷驅動，能耗少，且無運動部件。吸附式J-T效應節流制冷系統一般應用于65～160 K、16～38 K兩個制冷溫區，其中一氧化碳、甲烷、氮氣和氪氣等制冷劑適用于65～160 K的吸附式J-T節流制冷，氫氣、氖氣作制冷劑時可獲得更低的制冷溫度。為了獲得更好的制冷效果，可以采用混合工質作為吸附式壓縮節流制冷的制冷劑，例如氮氣/一氧化碳，氮氣/甲烷，氮氣/乙烷等，同時，也可以采用兩級或者多級吸附壓縮的方式獲得更高的進氣壓力，以及采用多級預冷的方式降低制冷劑的節流前溫度，以獲得更好的制冷效果。

J-T效應節流制冷系統具有冷卻速度快、性能可靠、制冷效果顯著等諸多優勢，因此在許多領域得到應用。為了獲得更理想的制冷效果，也可以豐富制冷系統中的其他結構，例如，通過增加多級回熱換熱以及多級J-T節流等多種形式豐富制冷系統；同時，系統中使用多元混合工質以獲得更廣泛的制冷溫區。通過以上多種方式豐富J-T節流制冷系統，提升其制冷性能，使J-T效應節流制冷系統在更多應用場合具有可觀的發展前景。