《Cryogenics》：A review of pulse tube cryocoolers operating at liquid hydrogen temperatures for space applications: progress, challenges, and future directions
编辑推荐：
•建立了基于结构的20 K脉管制冷机分类框架。•综述了20 K脉管制冷机的全球发展及性能演变历程。•对构型、相移方法及频率特性进行了比较分析。•识别了回热器、相控及可靠性方面的关键挑战。•提出了轻量化航天低温制冷机的未来发展方向。引言空间红外天文学、地球观测及基础物理任务的推
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建立了基于结构的20 K脉管制冷机分类框架。
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综述了20 K脉管制冷机的全球发展及性能演变历程。
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对构型、相移方法及频率特性进行了比较分析。
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识别了回热器、相控及可靠性方面的关键挑战。
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提出了轻量化航天低温制冷机的未来发展方向。
引言
空间红外天文学、地球观测及基础物理任务的推进，在很大程度上依赖于高性能低温系统。将探测器及光学元件冷却至低温，能有效抑制热噪声，从而提升灵敏度并实现对微弱信号的探测[1]、[2]。空间应用对低温制冷机提出了高效率、长寿命、低振动和高可靠性的要求。在众多技术方案中，脉管制冷机（PTC）凭借其冷端无运动部件的特性，相较于斯特林制冷机和Gifford-McMahon制冷机，显著降低了机械磨损和振动[3]、[4]、[5]，逐渐成为主流解决方案。自20世纪60年代发展以来[6]，脉管制冷机历经孔板型[7]、双入口型[8]及惰性热管型[9]等重大改进，其效率已可媲美先进的斯特林制冷机，尤其在80 K以下[10]、[11]，并已被广泛应用于对高可靠性和低扰动有严格要求的空间任务中[12]。
工作在液氢温区（约20 K）的脉管制冷机对于空间应用尤为重要。这些系统既可作为直接冷却器，也可作为预冷级使用。先进红外探测器[13]（如超长波红外探测器及电阻替代式辐射计）在20 K附近需要直接冷却，以降低暗电流并提高测量精度[14]。同时，20 K预冷级为工作在更低温度下的探测器和低温系统提供必需的预冷，包括SQUIDs[15]、SNSPDs[16]、BIB探测器[17]、TESs、MKIDs以及超低温制冷机（如绝热气体制冷机和稀释制冷机）[16]、[18]。因此，开发高效可靠的20 K级脉管制冷机，对于涉及高灵敏度探测和精密测量的未来空间任务至关重要。
对约20 K直接冷却以及亚开尔文级预冷的日益增长的任务需求，将20 K温区推至航天低温制冷机发展的前沿。过去三十年来，全球开展了大量研究，探索了多种系统构型、相移方法、回热器材料及可靠性提升技术，形成了各具特点的技术路线和权衡方案。然而，尽管研究活动丰富多彩，现有的综述主要关注制冷机的一般性发展或宽温区[19]、[20]、[21]、[22]、[23]、[24]，针对液氢温区脉管制冷机的专门且系统的综合评述仍属空白。因此，其发展轨迹、竞争构型之间的相对优劣、限制进一步改进的根本约束以及未来可能的趋势均尚不明确。
本综述旨在填补这一空白，提供一种以构型为导向的全面概述，系统追溯液氢温区脉管制冷机的发展历程，比较主要构型和关键技术，识别关键科学与技术挑战，并从系统层面前瞻性评估未来研究方向。本文的目标不仅是描述性汇编，而是提供一个清晰的框架，为构型选型和未来开发工作提供参考。第2节简要介绍脉管制冷机的基本工作原理。第3节对液氢温区脉管制冷机及其技术趋势进行分类综述。第4节总结关键挑战。第5节概述未来研究方向，第6节给出结论。
章节摘要
基本构型与工作循环
脉管制冷机（PTC）是一种回热制冷机，通过工作气体（通常为氦气）的周期性压缩和膨胀产生制冷效果，且冷端无运动部件[25]。其基本构型包括直线压缩机、回热器、脉管、两端的换热器以及相移器[3]、[26]。
直线压缩机产生近正弦的压力波，驱动工作气体在回热器与脉管之间往复振荡。
全球研究进展：分类综述
利用Web of Science、ScienceDirect、Google Scholar和Connected Papers进行了全面的文献检索，关键词组合"pulse tube cryocooler"或"pulse tube refrigerator"与"20 K"、"liquid hydrogen"、"space applications"、"high-frequency"及特定构型术语。此外，还在《Cryogenics》、《International Journal of Refrigeration》以及会议论文集（包括Cryocoolers、Advances in Cryogenic Engineering和International）中进行了补充检索。
关键科学与技术挑战
尽管已取得重大进展，但面向空间应用的20 K脉管制冷机在效率、制冷量、可靠性和紧凑性方面的进一步改进仍受到相互关联的物理和工程挑战制约，包括回热器材料、高频输运、相控、长期可靠性及空间环境适应性。本节对这些关键挑战进行了总结。
空间20 K脉管制冷机的未来发展方向
第4节从具体物理和工程约束的角度阐述了挑战。本节转为系统层面视角，基于上述比较分析，对20 K空间脉管制冷机的未来发展方向提出战略性判断。
总结与讨论
液氢温区脉管制冷机在过去三十年中取得了显著发展，已成为未来空间低温应用中最具前景的制冷技术之一。通过本文的系统综述和比较分析，可以得出以下重要结论。
(1) 20 K脉管制冷机的发展已形成多种技术路线。热耦合和气体耦合构型已成为主流。
CRediT作者贡献声明
Mingtao Pan：撰写——初稿、可视化、方法论、调查、数据整理、概念构思。Nailiang Wang：撰写——审阅与编辑、监督、项目管理、方法论、形式分析、概念构思。Jia Quan：撰写——审阅与编辑、监督、项目管理、方法论、形式分析、概念构思。Yanen Li：可视化、验证、方法论。Bin Yang：可视化、验证、软件、方法论。Tianshi Feng：
利益冲突声明
作者声明不存在任何可能影响本文工作的已知竞争性经济利益或个人关系。
致谢
本研究由国家重点研发计划（资助号：2023YFB3905600和2023YFB3905603）以及低温科学与技术国家重点实验室重点研究项目资助。
潘明涛|王乃良|全佳|李艳恩|杨斌|冯天实|赵米光
