液氦温区小型节流制冷机发展现状及趋势

　　1 引 言

　　低温技术的含义是指用各种获得低温的方法使气体液化或者使某一物体或空间达到并维持所需要的温度，所涉及的温度领域一般在120 K 以下( 0. 3 K以下称为超低温领域) ，广泛应用于工农业生产、国防建设、生物、信息等领域[1-2]。

　　利用实际气体的焦耳-汤姆逊效应的节流制冷技术是低温制冷技术中发展最早、应用最早的一种成熟的制冷技术之一，早在 19 世纪末工业界就开始应用节流技术来进行气体液化。现在，由于节流制冷技术易于微型化、结构简单、在低温端无运动部件、运行可靠等优点，因而被航空航天、军工用来作为红外探测元件和导弹制导装置的冷源，还经常应用于某些制冷系统的最后一级[3]。

　　2 节流膨胀原理及节流制冷器

　　英国科学家 Joule 和 Thomson 在 19 世纪 50 年代首先研究了气体从高压等焓膨胀到低压从而导致温度降低的现象。气体在高压下流经管道中的小孔使压力显著降低的过程称为节流。当气体在管路中遇到缩口或调节阀门时，由于局部阻力将使其压力显著下降，而此时气体来不及与外界进行热交换，此过程即为绝热节流。气体节流前后的能量保持不变，即节流前后焓相等。理想气体的焓只是温度的函数，因此理想气体在节流前后的温度不变。但对于实际气体来说，等焓节流前后温度将发生较大的变化，即焦耳-汤姆逊效应[2，4]。

　　2. 1 微分节流效应和积分节流效应

　　J-T 节流效应分为微分节流效应和积分节流效应。气体节流时温度变化和压力的降低成一定的比例，即 μH= (Tp)H，其中: μH为微分节流效应，反映了压力的微小变化所引起的温度变化趋势。微分节流系数等于零的曲线为转化曲线，对应的压力为零的点为最高转化温度点。不同气体的最高转化温度列于表 1 中，对于最高转化温度低于室温的气体，必须通过膨胀机或者其它的方法将之预冷到低于最高转化温度的温度，通过节流才能降温[4]。

　　积分节流效应是指气体在某一压降的范围内，节流所产生的温度变化，可由下式计算: ΔT = T2- T1=∫p2p1μHdp = μ-H( p2- p1) 。式中: T1和 T2分别为节流前后的温度; p1和 p2分别为气体节流前后的压力，μ-H为在某一压降范围内μH的平均值。当工质节流前的初始状态和终了状态都处在转化曲线 μH> 0 区域内时，积分节流效应为正值，流后工质的温度降低; 当工质节流前的初始状态和终了状态都处在转化曲线 μH< 0 区域内时，积分节流效应为负值，节流后工质的温度升高[4]。

　　2. 2 节流制冷器