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近年来，我国的空间探测技术发展迅速，而空间低温制冷技术是空间探测的关键技术之一。为满足航天器中探测元件对低温环境的需求，提高探测的精确度和灵敏度，须利用空间低温制冷技术降低探测器件的温度。对于超导量子干涉器件(SQUID)、超导光子探测器(SNSPD)、超导太赫兹探测器、红外探测器等空间探测器，要求空间制冷系统能够提供液氦温区甚至更低的温度。而随着我国在航空航天以及超导技术等领域的飞速发展，未来必将涉足宇宙背景和远红外空间探测等国际前沿课题，势必对液氦温区空间低温制冷技术提出需求。为满足未来我国航天事业需求，本研究针对液氦温区低温制冷机开展研究。而空间液氦温区预冷型JT节流制冷机与其它空间制冷机相比，具有冷头无运动部件、可远距离传输冷量、振动和电磁干扰小、液氦温区的效率较高等特点，已成为国内外研究的热点。 本实验室在国内率先成功研制了三级高频脉冲管预冷JT节流循环的复合式制冷机，在功耗473W时，获得12mW@4.5K。而我国计划中的太赫兹、超导单光子探测器要求制冷机在液氦温区提供约100mW的制冷量。因此，本文基于此研究成果，对预冷型JT节流制冷机的热力学过程进行深入的理论分析和实验研究，以提升制冷机的制冷性能，使制冷机更加紧凑，能够适于未来空间应用需求。基于此，提出本文的研究思路:基于预冷型节流循环的热力学过程，建立计算模型，对影响制冷机性能的关键参数如预冷温度、节流前高压和流量等进行分析，探索提升制冷机性能的途径。在此基础上，对节流循环的关键部件如节流元件、逆流换热器和有阀线性压缩机等进行设计优化和实验研究，最终在液氦温区获取100mW制冷量。具体研究工作主要分为以下几个方面: 1.预冷型JT节流循环的热力学流程分析 主要从节流循环的T-s图入手，分别从节流循环与外界的功热交换以及节流循环自身的热力学过程对预冷型节流循环进行分析，探讨提升预冷型JT节流制冷机性能的方法。通过对预冷温度、节流前高压和制冷机流量等关键参数的分析，探索其对制冷循环的影响，明确制冷机的需求，为下一步节流循环各主要部件的研究提供方向。 2.逆流换热器的强化换热分析与设计优化 对逆流换热器进行了优化，提升换热器效率，进而充分利用回流的冷氦气的显热，减少对预冷制冷机的冷量需求。由于第三级逆流换热器处于20K以下的低温环境，且其效率直接对制冷机的制冷量产生影响，对其进行了专门的分析和研究。此外，利用Fluent软件获取螺旋管内不同截面速度和温度分布，阐明二次流对换热器的影响。利用优化后的换热器进行实验研究，节流制冷机的制冷量提升了约20mW。 3.节流元件阻力特性分析及其对节流制冷机性能的影响研究 对微孔节流的物理过程和节流元件影响节流制冷性能的机理进行了分析和阐述，针对节流元件的阻力特性进行了实验研究，对理论分析结果进行了实验验证。在此基础上，为进一步提升制冷机的制冷量，提出多孔节流方案，并通过实验研究发现:多孔节流方案制冷性能优于单孔节流方案。此外，通过测定不同孔径微孔在不同压力下的流量，通过量纲分析法获得了微孔的阻力系数的实验关联式。 4.线性压缩机的实验优化 大排量、高压比的有阀线性压缩机是本文研究的重点研究目标之一。基于本实验室研制的动圈式有阀线性压缩机，对两级对置式线性压缩机进行了实验优化，主要针对压缩机的板弹簧特性、输入参数和充气压力等开展相关实验研究，逐步提升压缩机的性能。最终采用三级压缩，获得了18.6的压比，此时高压为2.05MPa，低压为0.11MPa。 5.液氦温区百毫瓦级JT节流制冷机的设计与实验研究 通过前述研究，节流循环的关键部件的性能获得了提升，在此基础上，进行百毫瓦级JT节流制冷机的整机设计。节流循环采用三级线性压缩机进行驱动，对液氦温区JT节流制冷机进行整机实验研究。通过对节流方案的实验测试，最终在节流前高压为2.0MPa，采用四孔节流方案时，获得了102mW@5.02K的制冷性能，达到预期目标。