氬氣微槽道焦-湯效應制冷器實驗研究

王文卿 崔曉鈺 耿 暉 韓小晨 翁建華

(1上海理工大學能源與動力工程學院 上海 200093) (2上海電力學院能源與機械工程學院 上海 200090)

氬氣微槽道焦-湯效應制冷器實驗研究

王文卿1崔曉鈺1耿 暉1韓小晨1翁建華2

(1上海理工大學能源與動力工程學院 上海 200093) (2上海電力學院能源與機械工程學院 上海 200090)

漢普遜型J-T效應制冷器結構不緊湊，其支撐芯軸占據(jù)較大空間，換熱效率低。為提高其換熱性能，將換熱效率高的微槽道技術應用于J-T效應制冷器，設計出一種新型的多層微槽道J-T效應制冷器試件，并搭建實驗臺對其進行性能測試與分析。實驗以進口溫度7.5 ℃和10.5 ℃，進口壓力4 MPa至8 MPa的氬氣為冷源，對各測點的溫度進行采集，并完成冷端溫度的性能測試與分析。實驗表明，在相同的進氣溫度下，隨著進氣壓力增高，冷端溫度降低，在進氣溫度為10.5 ℃、壓力為8 MPa時冷端溫度最低可達-41.1 ℃。同時，在相同的進氣壓力下，冷端溫度隨進氣溫度的降低而降低，在進氣壓力7 MPa下，進口溫度7.5 ℃比10.5 ℃的冷端溫度低6.1 ℃。

微型節(jié)流制冷器 氬氣 實驗系統(tǒng) 制冷性能

1 引 言

微型J-T效應制冷器的研究始于20世紀50年代，其作為發(fā)展較為成熟的微型制冷器之一，具有體積小、重量輕、效率高、功耗少等特點，廣泛應用于低溫電子技術、空間技術、紅外探測器及冷凍外科手術等領域[1]。

陳兒同[2]等以氮氣為冷源，用半導體預冷的微型J-T制冷器對低溫顯微鏡進行降溫實驗，實驗表明氮氣的最佳進氣壓力為7 MPa，系統(tǒng)在-80 ℃時有5 W的制冷量。王宏宇等[3]實驗研究了基于氬氣的低溫探針的冷凍性能，探針內(nèi)部換熱段毛細管內(nèi)徑0.4 mm，長度100 mm，節(jié)流段為節(jié)流噴嘴。實驗采用開式制冷系統(tǒng)，結果表明在進氣壓力20 MPa時，探針尖端最低溫度可達112.9 K，進氣溫度從290.4 K降到274.3 K能夠使探頭冷量輸出增加約24%。徐海峰[4]等對一種快速啟動的錐形節(jié)流制冷器進行了實驗研究，選用45 MPa氬氣作為冷源頭，得出溫度下降至100 K所需時間少于2.3 s，芯片降溫至同樣溫度的時間少于7.21 s。

目前應用的J-T效應制冷器絕大部分采用漢普遜型，其由逆流換熱段、節(jié)流段、進出口段和蒸發(fā)段組成，如圖1，單級微型節(jié)流制冷器所示[5]，其中間芯軸僅起到支撐作用，但占用制冷器內(nèi)較大空間。為了提高節(jié)流制冷器中回熱換熱器的緊湊程度，增強制冷效果，微槽道技術被應用于J-T效應制冷器中。微槽道具有高表面積-體積比的優(yōu)點，且已商用的微槽道冷板熱流密度大于250 W/cm2，散熱能力超過200 W[6]。

圖1 單級微型節(jié)流制冷器Fig.1 Single stage J-T cryocooler

美國斯坦福大學利特爾(W A Little)教授[7]首次成功研制出基于光刻蝕腐蝕技術制造的微型節(jié)流制冷器，其采用玻璃基片或者硅片刻蝕細微槽道作為氣流的換熱流道、節(jié)流元件和蒸發(fā)器，以氮氣為工質(zhì)，在運行高壓為16.5 MPa的開式循環(huán)系統(tǒng)對該制冷器進行了實驗研究，最低溫度達到了88 K。Lerou[8]運用刻蝕加工技術在刻蝕有矩形槽道的玻璃圓片上制作了J-T效應制冷器，以氮氣為工質(zhì)進行試驗，所設計試件制冷量最大可達20 mW，頂端溫度最低至100 K。王昂，公茂瓊等人[9]采用3D打印技術制作微針肋條結構的逆流換熱器，采用進口壓力為1.6、1.7 MPa的氮氣和甲烷等5種工質(zhì)組成的混合工質(zhì)，通過閉式制冷系統(tǒng)進行實驗，獲得的最低溫度為230 K。

本文將微槽道技術與J-T效應制冷器結合，提出一種新型多層微槽道焦-湯效應制冷器方案，并對其進行實驗研究。實驗采用開式系統(tǒng)，基于本實驗以微通道焦-湯節(jié)流制冷器的結構設計為研究目的，采用高壓純氣體作為工作物質(zhì)，常用的工質(zhì)有氮氣、氬氣等。從J-T效應機理以及各氣體的轉化曲線[4]，可以確定氬氣達到的制冷效果優(yōu)于氮氣，所以本微制冷系統(tǒng)選用氬氣作為實驗工質(zhì)。

2 實驗試件設計

圖2為微通道回熱換熱J-T效應制冷器試件示意圖。試件選用不銹鋼制作，分為進口段、回熱換熱段、節(jié)流段與蒸發(fā)腔。

圖2 節(jié)流制冷器高壓通道示意圖Fig.2 High pressure channel schematic diagram of J-T cryocooler

從文獻中總結經(jīng)驗，并結合加工工藝及理論計算對試件結構尺寸進行確定。制冷器總長200 mm，其中進口處10 mm，回熱段長140 mm[3,10]，節(jié)流段40 mm[2,10]，蒸發(fā)腔10 mm[1]。高低壓通道邊板厚度1 mm，頭部厚度1.5 mm，其他具體尺寸如表1，高低壓通道及節(jié)流段具體尺寸表所示。進口段支撐圓柱根據(jù)加工要求確定為直徑0.5 mm，共12個，在高壓通道與節(jié)流段連接處有4個直徑為0.5 mm的圓柱作為支撐。

表1 高壓、低壓與節(jié)流通道具體尺寸表

試件進出口采用上進下出的方式，通道采用多條矩形型式，設置高低壓通道各3層，低壓通道高度為高壓通道的4倍。本試件板片采用激光刻蝕制作，將板片線切割成單片微通道，按照設計順序擺放整齊后，放到爐內(nèi)進行擴散融合焊接成整體，試件實物圖如圖3所示。

圖3 試件實物圖Fig.3 Picture of physical specimen

3 制冷系統(tǒng)設計

本實驗采用開式制冷系統(tǒng)，圖4為實驗臺效果

圖。氬氣從高壓氣瓶出來之后，通過減壓穩(wěn)壓閥調(diào)節(jié)到工作壓力，并通過流量計獲得流量值。因為常溫的氬氣可以直接制冷，為了便于對比，設計時進氣分為兩路。一路是氣體不經(jīng)過預冷換熱器直接通過溫度和壓力變送器后進入放在真空腔中的試件，節(jié)流后的出口氣體直接排出室外；另一路是氣體通過預冷換熱器，用出口氣體來預冷高壓進氣后再排出室外，實驗臺實物圖如圖5所示。

圖4 實驗臺效果圖Fig.4 Schematic of experimental setup

圖5 實驗臺照片F(xiàn)ig.5 Picture of experiment setup

進出口溫度測量即T1和T11采用銅-康銅(T型)熱電偶，表面貼片熱電偶在試件上的位置如圖6所示，其中2至10號依次貼在試件上，最冷端測點為9和10號，熱電偶的準確度均為0.1 ℃。

圖6 熱電偶貼片位置Fig.6 Thermocouples placements

壓力變送器量程為0—10 MPa，精度等級為0.2級，其絕對不確定度為0.02 MPa。質(zhì)量流量計采用XD-600數(shù)字型質(zhì)量流量計，選用量程0-50SLPM，最大耐壓10 MPa，準確度1%。

4 實驗研究與結果分析

本實驗對設計制作的微槽道J-T效應制冷器試件的降溫特性、制冷能力進行了實驗研究。

開始實驗前首先對系統(tǒng)進行檢漏和保壓，確定實驗系統(tǒng)無氣體泄露；隨后，打開流量計，壓力變送器及安捷倫34970A電源，并設置熱電偶測溫通道，確保各測量設備讀數(shù)顯示正常；最后，對真空罐抽真空，形成真空后，關閉真空泵，經(jīng)保壓測試完成實驗前的準備工作。

實驗時，打開氣瓶閥門，旋轉減壓閥至實驗工況數(shù)值，開始實驗數(shù)據(jù)采集，待各項數(shù)據(jù)穩(wěn)定后，保存溫度數(shù)據(jù)，同時記錄流量和壓力數(shù)值，完成一個工況的實驗。在進行下一個工況的實驗前，需等待一定時間，確保實驗系統(tǒng)內(nèi)無殘余工質(zhì)且試件溫度恢復至常溫。完成所有實驗工況的測試后，排出系統(tǒng)內(nèi)氣體，關閉氣瓶與各測量設備電源，結束實驗。

4.1 進口壓力的影響

不同壓力下各測點溫度變化趨勢一致，現(xiàn)選用8 MPa，10.5 ℃工況為例分析。

圖7為進口壓力8 MPa，進口溫度10.5 ℃時，各測點溫度隨時間的變化圖，可以看出2號至10號熱電偶的溫度隨時間的增加在所測時間內(nèi)呈現(xiàn)不同程度的下降。其中，在0—600 s內(nèi)溫度隨時間逐步降低，在600—700 s內(nèi)溫度逐漸趨于穩(wěn)定，從9號與10號熱電偶數(shù)據(jù)可以看出，制冷器產(chǎn)生了明顯的制冷效果。

圖7 8 MPa，10.5 ℃時各測點溫度隨時間的變化圖Fig.7 Temperatures of each measuring point versus time at 8 MPa inlet pressure and 10.5 ℃ inlet temperature

如圖8，進口壓力8 MPa、進口溫度10.5 ℃時，各測點最低點溫度圖所示，溫降從2號測溫點開始，2—5號溫度依次緩慢降低，溫度在5—8號處降幅最大，從8—10號溫降逐漸趨于緩慢，在9號和10號測點處獲得最低溫度。5號位于多層微槽道換熱結構處，與低溫回流首先換熱，兩者溫差較大，因此換熱較明顯，5—6號溫降也相應較大；從6號熱電偶的位置開始，實驗工質(zhì)進入節(jié)流段，其受到的流動阻力突然增大，通道內(nèi)氬氣的壓力減小，故6號位置溫度大幅下降，在7號和8號位置繼續(xù)下降，經(jīng)過8號位置后氣體進入相對較大空間的蒸發(fā)腔內(nèi)，壓力進一步降低而使溫度隨之下降，9號和10號為整個試件溫度最低點。氣體從蒸發(fā)腔返回低壓通道，與高壓來流進行換熱最后排出試件，11號測試為試件出口溫度。

圖8 8 MPa，10.5 ℃時試件上各測點最低溫度圖Fig.8 The lowest temperature of each measuring point on specimen at 8 MPa inlet pressure and 10.5 ℃ inlet temperature

圖9為不同壓力下，冷端溫度隨時間的變化圖。當進氣壓力為8 MPa時降溫速率最快，在10 min內(nèi)冷端溫度T9降低40 ℃左右，而進氣壓力為4 MPa時在10 min內(nèi)僅降低12 ℃左右，其余進氣壓力下在相同時間內(nèi)降溫幅度則居于兩者之間。

圖9 不同壓力下冷端溫度隨時間變化圖Fig.9 Cold end temperature versus time under different inlet pressure

綜上所述，隨著進氣壓力的升高，冷端溫度的降溫速率增大且冷端最低溫度降低。進口溫度為10.5 ℃，壓力為8 MPa時冷端溫度最低達到-41.1 ℃。

4.2 進口溫度的影響

圖10為不同進氣溫度下冷端溫度隨時間變化圖。在5 MPa，6 MPa，7 MPa3個進氣壓力下，見圖10a，10b，10c，7.5 ℃進氣溫度下試件冷端所能達到的最低溫度均低于10.5 ℃進氣溫度下的情況，試件冷端最低溫度隨著進氣溫度的降低而降低。在進口壓力為5 MPa，6 MPa，7 MPa的情況下，兩種不同進氣溫度下冷端溫度差值依次為4.7 ℃，5.2 ℃，6.1 ℃，即隨著進氣壓力的升高，兩進氣溫度下冷端最低溫度相差越來越大。

圖10 不同進氣溫度下冷端溫度隨時間變化圖Fig.10 The cold end temperature versus time under different inlet temperature

5 結 論

本文對實驗試件不同壓力，不同溫度下的降溫特性進行分析，結論如下：

(1)試件大幅度降溫過程主要集中在5—8號測點區(qū)，這是由于6號測點位于節(jié)流區(qū)進口，氬氣受到的流動阻力突然增大，壓降增大，故6—8號測點區(qū)溫度大幅下降。而5號測點位于回熱段末端，入流的高壓氣體與節(jié)流后的低溫回流首先換熱，兩者溫差較大，換熱較明顯，所以5—6號測點區(qū)溫降也相應較大。

(2)進氣溫度相同時，通過對5種不同的進氣壓力的實驗表明，進氣壓力越高，冷端溫度越低，在進氣溫度為10.5 ℃，壓力為8 MPa時，冷端最低溫度(T9)達到-41.1 ℃。隨著進氣壓力的增加，冷端降溫速率也不斷上升，實驗數(shù)據(jù)表明，在相同時間內(nèi)(10 min)，8 MPa的冷端降溫幅度(40 ℃)為4 MPa的冷端降溫幅度(12 ℃)的3倍多。

(3)進氣壓力相同時，對進氣溫度10.5 ℃和7.5 ℃進行對比，7.5 ℃的進氣溫度下試件冷端達到的最低溫度均低于10.5 ℃，所以進氣溫度越低，節(jié)流后所能達到的溫度越低。同時，進氣壓力從5 MPa到7 MPa，兩種溫度下最低端溫度的差值依次為4.7 ℃，5.2 ℃，6.1 ℃，即隨著進氣壓力的升高，兩者冷端最低溫度的差值逐步增大。

1 張國剛.微型制冷器[M].北京：國防工業(yè)出版社,1984:1-75.

Zhang Guogang. Micro Cryocooler[M]. Beijing: National Defense Industry Press,1984:1-75.

2 李巧巧, 陳兒同, 左志強,等. 低溫顯微鏡新冷源系統(tǒng)的實驗研究[J]. 制冷學報, 2011, 32(3):53-55.

Li Qiaoqiao, Chen Ertong, Zuo Zhiqiang, et al. Experimental study on a new Low-temperature System for Cryomicroscope[J]. Journal of Refrigeration, 2011, 32 (3): 53-55.

3 王宏宇，張紹志，陳光明，等.高壓氬氣節(jié)流型低溫探針的實驗研究[J].低溫工程，2014(1):22-26.

Wang Hongyu, Zhang Shaozhi, Chen Guangming,et al. Experimental study on a cryoprobe utilizing throttling of high pressure argon[J].Cryogenics,2014(1):22-26.

4 徐海峰,楊海明,杜文飛，等.快速啟動錐形節(jié)流制冷器的研制[J].低溫物理學報，2015,37(2):157-160.

Xu Haifeng, Yang Haiming, Du Wenfei, et al. The development of a fast cooling-down conical J-T cooler[J]. Chinese Journal of Low Temperature Physics,2015,37(2):157-160.

5 Harrison M S, Kendra P,Greg N, et al. Modeling, Experimentation and Optimization for a Mixed Gas Joule-Thomson Cycle with Precooling for Cryosurgery[D].Madison, University of Wisconsin,2011.

6 李兵強. 微通道液冷冷板技術研究進展[J]. 科技視界, 2013(7):60-60.

Li Bingqiang, The research development in micro-channel liquid cooling cold plate technology[J].Science& Technology Vision, 2013(7):60-63.

7 Little W A. Microminiature refrigeration—small is better[J]. PhysicaB+c, 1982, 109-110:2001-2009.

8 Lerou P PP M, Venhorst G C F, Berends C F,et al. Fabrication of a micro cryogenic cold stage using MEMS-technology[J]. Journal of Micromechanics and Microengineering,2006,16:1919-1925.

9 王 昂，公茂瓊，吳劍峰. 基于3D打印的微微型混合工質(zhì)J-T制冷器實驗研究[J].工程熱物理學報,2015,36(3):600-604.

Wang Ang, Gong Maoqiong, Wu Jianfeng. Experimental Investigation on a 3D Print made Microminiature Mixed Refrigerant J-T Cooler[J]. Journal of Engineering Thermophysics,2015,36(3):600-604.

10 Widyaparaga A, Kuwamoto M, Tanabe A, et al. Study on a wire-type Joule Thomson microcooler with a concentric heat exchanger[J]. Applied Thermal Engineering,2010,30:2563-2573.

Experimental study of rectangle micro channel Joule-Thomson cryocooler with argon

Wang Wenqing1Cui Xiaoyu1Geng Hui1Han Xiaochen1Weng Jianhua2

(1School of Energy and Power Engineering, University of Shanghai for Science and Technology, Shanghai 200093,China) (2School of Enery and Mechanical Engineering,Shanghai University of Electric Power,Shanghai 200090,China)

The structure of Hampson J-T cryocooler is not compact because its core shaft occupies a large space inside cryocooler, which leads to low heat exchange efficiency.To improve the heat transfer performance, microchannel with high heat exchange efficiency is applied in J-T cryocooler. A new multilayers micro channel J-T cryocooler is designed and an experimental rig is built for testing and analyzing its performance. The experiment takes the argon with inlet temperature of 7.5 ℃ and 10.5 ℃, and the inlet pressure between 4 MPa and 8 MPa as the cold source. The temperature of each measurement point is collected and the performance test and the analysis of the cold end temperature is accomplished. The experiment result shows that the higher the inlet gas pressure is, the lower the cold end temperature is under same inlet temperature,When the inlet temperature is 10.5 ℃ and the pressure is 8MPa, the cold end temperature can reach -41.1 ℃. Meanwhile, the lower the temperature of inlet gas is, the lower the cold endtemperature is.When the pressure is 7 MPa, the cold end temperature under the inlet temperature of 7.5 ℃ is 6.1 ℃ lower than that of 10.5 ℃.

micro Joule-Thomson cooler；argon；experimental system；refrigeration performance

2016-06-09；

2016-10-08

上海市自然科學基金項目(14ZR1429100)項目資助。

王文卿，男，26歲，碩士研究生。

TB657

A

1000-6516(2016)05-0046-05