在空间探测任务中，红外、亚毫米波和X射线等探测器都需要深低温的工作环境，以实现高精度的探测。4 K温区是部分探测器的工作温区，也是mK级温区的制冷技术的预冷温区，因此4 K温区制冷技术是这些空间探测任务得以实现的关键技术之一。
近年来，国际上已发射或即将发射大量的空间探测器或望远镜，这些探测器或望远镜采用的4 K温区制冷技术主要有两类：（1）液氦杜瓦技术；（2）机械式制冷机技术。表1给出了典型的深空望远镜中4 K温区的制冷系统对比。Herschel采用的超流氦杜瓦，Planck采用了预冷型JT制冷机，两者同时发射升空。Herschel的杜瓦中液氦于2013年4月耗尽，而Planck的JT制冷机在2013年4月的报告中提及，仍在继续正常工作。
结合表1可知，液氦杜瓦技术虽然成熟可靠，但其寿命受携带液氦量限制，且携带液氦需要庞大容器以至于发射成本显著增加；而日益成熟的机械式制冷技术目前已能够满足空间应用对于可靠性及寿命的要求，正逐渐替代杜瓦技术，成为空间4 K温区低温制冷技术的主流。
能够满足空间应用要求的4 K温区机械式制冷机主要有3类：吸附压缩机驱动的级联型JT制冷机、级联型脉管制冷机和采用斯特林或斯特林型脉管制冷机预冷的JT节流制冷机（预冷型JT制冷机）。其中，预冷型JT制冷机是这三者中唯一已通过空间检验的技术。预冷机与JT制冷机的运动部件均采用板弹簧支撑和间隙密封等技术，整机能够满足空间应用长寿命的要求。与级联型脉管制冷机相比，预冷型JT制冷机结合了回热式制冷与JT节流制冷在不同温区的优势，能够达到较高的制冷效率，同时可实现冷量的远距离传输；与级联型JT制冷机相比，预冷型JT制冷机结构相对简单紧凑，更加稳定可靠。
研究进展：
很早的空间用4 K温区预冷型JT制冷机公开于1981年，由苏联科学院列别杰夫研究所光谱学实验室（LPI/RAS）研发，运行于Salyut-6空间站（1977年9月发射升空），为BET-IM望远镜中的远红外探测器提供冷却。
1987年，卢瑟福实验室（RAL）与ESA签订合约，开展采用两级斯特林制冷机预冷JT节流制冷机到达4 K温区的工作。得益于板弹簧支撑和间隙密封等技术的成熟运用，线性电机驱动的压缩机和分置式斯特林制冷机冷头长寿命运行的潜力得到开发，并已在空间应用中得到验证，制冷机结构如图1所示。JT节流制冷机随Planck卫星于2009年5月14日发射升空，至2013年4月29日仍未停止工作，标志着满足长寿命要求的4 K温区JT节流制冷机第一次成功应用于空间探测任务。
日本住友重工与美国NGAS和Ball等公司为相应的空间项目研发出了结构相似的预冷型JT制冷机。2014年，中国科学院理化技术研究所（IPC/CAS）报道了一台空间应用的制冷机。国际上研发4 K温区预冷型JT制冷机的单位、制冷机性能以及相关应用等相关信息汇总如表2。
计算分析：
将表2中制冷机的热端温度均假定为300 K，求得各制冷机的相对卡诺效率，对该类制冷机整机的整机性能进行整理如图7所示。JT制冷机的另一种组合，GM制冷机预冷的JT节流制冷机能够在4 K温区达到较高的相对卡诺效率，如图8所示。
对于4 K温区JT制冷机，其关键的单元由末级换热器、节流阀和冷端换热器组成，对于固定的预冷温度，存在一个优化的高压压力，使JT制冷机获得该预冷温度下的较大制冷量。高压压力的选取不仅影响预冷型JT制冷机整机的效率，也影响着JT线性压缩机组的稳定性。以第一和第二级预冷温度分别为70 K和15 K，各级换热器效率97%为例，计算JT制冷机高压压力的变化对各级预冷量需求和JT制冷效率的影响。此处，JT制冷效率可定义为制冷量与JT压缩机组理想功耗的比值。计算结果如图10所示。RAL、SHI和IPC三个单位（数据较完整）的预冷温度和压比等数据代入热力学模型，计算得到其JT制冷效率；对其高压压力优化后，可得到更高的JT制冷效率。优化前后的JT制冷效率与高压压力变化如图11所示。
主要结论
1.现有技术中，SHI公司研制的制冷机性能良好，而其效率与地面应用的GM/JT制冷机仍有较大差距。在已满足空间应用对可靠性和寿命要求的基础上，制冷机的效率提升将会成为研究重点；
2.降低预冷温度不仅能够显著提升JT制冷机的性能，更能使相应的JT制冷机优化高压压力降低，因此更低温度的高效预冷技术是提升预冷型JT制冷机整机性能的关键因素；
3.当前JT线性压缩机组的效率低于地面应用的氦压缩机（含油），仍有较大提升空间。需根据能够获得的预冷温度所对应的JT制冷机优化压力工况对JT压缩机组进行系统的优化设计，才能有效地提高预冷型JT制冷机的整机性能。
by《低温工程》
