制冷技术在航天遥感领域的应用综述
制冷技术在航天遥感领域的应用综述
1 引言
制冷是指用人工的方法在一定时间和一定空间内将物体冷却，使其温度降低到环境温度以下，保持并利用这个温度。制冷技术是为适应人们对低温条件的需要而产生和发展起来的，我国古代就有人用天然冰冷藏食品和防暑降温。1755年爱丁堡的化学教师库仑利用乙醚蒸发使水结冰，他的学生布拉克从本质上解释了融化和气化现象，提出了潜热的概念，并发明了冰量热器，标志着现代制冷技术的开始。随着科学技术的发展以及人民生活水平的不断提高，制冷技术在工业、农业、国防、建设、科学研究等国民经济各个部门中的作用和地位日益重要。按照所获得的温度，通常将制冷的温度范围划分为以下几个领域：120K以上，普冷；
0.3K~120K，深冷（又称低温）；
0.3K以下，极低温。
在红外遥感领域，制冷型探测器工作温度一般在120K以下，属于低温范围，是低温制冷技术重要应用领域之一。
2．制冷技术的分类和发展
2.1 制冷技术的分类
制冷技术按照制冷方式不同主要有相变制冷技术、气体制冷技术、声制冷技术、磁制冷技术、热电制冷技术和辐射式制冷技术等。相变制冷技术是利用物质从质密集态向质稀集态相变时吸收潜热的特性实现制冷，应用范围很广，包括建筑室内及交通工具的空气调节、食品冷冻等多种工业、商业及民用领域，已经深入到了人们日常生活中。
气体制冷技术又可以细分为气体涡流制冷、气体膨胀制冷和绝热放气制冷技术等，用来获取 120K 以下的低温，主要应用领域有红外器件的制冷、低温电子器件制冷、磁共振成像系统的冷却、高温超导体冷却及低温物性研究等。
声制冷技术是利用热声效应的一种制冷方法，即：当声波引起的压力、位移、温度波动作用到固体边界时，发生明显的声波能量与热能的相互转换，从而达到降低温度的目的。声
制冷技术主要应用在要求制冷温度低但制冷量不大的红外器件、雷达和低温电子设备的降温冷却。
以上三种制冷技术均需要填充流体性质的工作介质，带来的问题就是可能出现工作介质的泄漏和污染，磁制冷技术、热电制冷技术和辐射式制冷技术则没有流体工作介质，可以避免泄漏和污染问题。
磁制冷技术是利用磁热效应的一种制冷方式，即：顺磁体绝热去磁过程中，温度会降低。磁制冷技术主要应用在氦的液化和超流氦的生成等方面。
热电制冷技术是利用帕尔帖效应的一种制冷方法，它不需要任何工质，无活动部件，结构简单。应用范围较广，非常适宜于微型制冷领域，如：汽车冰箱、家用饮水机、医疗器械和空间飞行器上的仪器设备冷却。
辐射式制冷技术是航天领域特有的制冷技术，是将空间飞行器内部的热量通过适当传热途径导至热辐射器，再由热辐射器排向 4K 冷黑空间。
2.2制冷技术的发展历程
在普冷方面，1834年发明家波尔金斯造出了第一台以乙醚为工质的蒸气压缩式制冷机，这是后来所有蒸气压缩式制冷机的雏型。到1875年卡利和林德用氨作制冷剂，从此蒸气压缩式制冷机开始占有统治地位。
到20世纪，制冷技术有了更大发展。美国通用电器公司研制成功全封闭制冷压缩机；米里杰发现氟里昂制冷剂并用于蒸气压缩式制冷循环以及混合制冷剂的应用；伯宁顿发明回热式除湿器循环以及热泵的出现，均推动了制冷技术的发展。
在低温方面，1934年，卡皮查发明了先用膨胀机将氦气降温，再用绝热节流使其液化的氦液化器；1947年柯林斯采用双膨胀机于氦的预冷。大部分的氦液化器现已采用膨胀机，其在制冷技术的开发和实际使用中获得广泛的应用。
新的降低温度方法的发明，扩大了低温的范围，并进入了超低温领域。德拜和焦克分别在1926年和1927年提出了用顺磁盐绝热退磁的方法获取低温；由库提和西蒙等提出的核子绝热去磁的方法可将温度降至更低。
更近期的制冷技术发展主要缘于世界范围内对食品、舒适和健康方面，以及在空间技术、
国防建设和科学实验方面的需要，从而使这门技术在20世纪的后半期得到飞速发展。受微电子、计算机、新型原材料和其它相关工业领域的技术进步的渗透和促进，制冷技术取得突破性的进展。
3．航天遥感领域应用的制冷技术原理简介
3. 1 气体制冷技术
气体制冷技术中的气体涡流制冷实质上是用人工的方法产生涡流使气体分为冷、热两部分，从而分离出来的冷气流即可制冷，优点是结构简单、启动快，但主要缺点是效率太低。
适用于航天遥感领域的气体制冷技术主要包括气体膨胀和绝热放气制冷技术，换热器是这两类气体制冷机的关键部件，它的结构形式和效率高低直接决定了制冷机的效率和尺寸。换热器基本形式有两种，间壁式和回热式，两者区别在于间壁式换热器中冷热流体流道彼此分开，回热式则是冷热流体周期性的交替流经回热器，回热器起到冷热流体热交换的媒介作用。
按照换热器的不同将这两大类气体制冷机细分为间壁换热式制冷机、回热式制冷机和混合式制冷机。间壁换热式制冷机主要有 J-T 节流制冷机、林德-汉普逊制冷机和布雷顿制冷机等，自 20 世纪 50 年代以来已经陆续应用在夜视仪和导弹制导系统的红外探测器制冷，同时各种类型回热式制冷机的实验研究不断取得进展，其中包括斯特林制冷机、VM 制冷机、G-M 制冷机、索尔文制冷机、脉冲管制冷机等。在众多类型制冷机中，斯特林制冷机在航天领域，特别是红外遥感方面，得到了最广泛的应用，近年来脉冲管制冷机的研究取得了突破，国内产品已经有了在轨飞行经历。
3.1.1 斯特林制冷技术
在气体制冷循环中，由两个等容过程连接两个等温过程构成的循环称之为斯特林循环；由两个定压过程连接两个等温过程称之为埃里克森循环。相对而言，埃里克森循环制冷机采用配气阀门控制流率，增大了系统的复杂性，从而增大了磨损和噪音，降低了效率和运行寿命。斯特林制冷机之所以能够在航天领域得到应用，主要得益于其长寿命、高可靠、低噪声、体积小、重量轻、发射环境适应性好等优点。
如图 1（a）所示斯特林制冷机由回热器 R、冷却器 A、冷却器 C 及两个活塞和两个气缸
组成。从图 1（b）、（c）中的状态 1 开始，压缩活塞和膨胀活塞均处于右止点。气缸内有一定量的气体，压力为 P1，容积为 V1，循环所经历的过程如下：
等温压缩过程 1－2：压缩活塞向左移动而膨胀活塞不动。气体被等温压缩，压缩热经冷却器 A 传出，温度保持恒值 Ta，压力升高到 P2，容积减小到 V2。

更多推荐

制冷,技术,制冷机,气体