氮氣多層微槽道J-T效應(yīng)制冷器性能實驗研究

耿暉崔曉鈺王文卿翁建華

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

氮氣多層微槽道J-T效應(yīng)制冷器性能實驗研究

耿暉1崔曉鈺1王文卿1翁建華2

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

本文將多層矩形微槽道與焦湯制冷器兩種結(jié)構(gòu)結(jié)合制作了多層微槽道J-T效應(yīng)制冷器，回?zé)岫卧O(shè)置高低壓矩形通道各三層交叉疊放。以氮氣為制冷劑，采集其在多層微槽道J-T節(jié)流制冷器各測點溫度，分析氮氣在制冷系統(tǒng)各階段的降溫特性，對比氮氣與氬氣在微槽道J-T效應(yīng)制冷器中的實驗結(jié)果。結(jié)果表明:當(dāng)進口壓力為4～8 MPa時，隨著壓力的增大，氮氣冷端溫度越低，達(dá)到穩(wěn)定冷端溫度的時間越短;當(dāng)進口壓力為8 MPa時，氮氣冷端在200 s左右趨于穩(wěn)定溫度約1.7℃;在相同進口壓力下，氬氣冷端溫度低于氮氣，但氮氣達(dá)到冷端溫度的時間比氬氣更短;進口壓力為7 MPa時，氮氣冷端溫度穩(wěn)定時間比氬氣提前約450 s;進口壓力8 MPa的氮氣與4～5 MPa的氬氣溫降相近，且氮氣的降溫時間更短，可以考慮用氮氣代替氬氣以減少制冷成本。

焦耳-湯姆遜效應(yīng);微槽道;降溫速度

AbstractA multilayer micro-channel Joule-Thomson(J-T)cryocooler was designed by combining several layers of rectangular microchannels with a coke soup cooler.The heat recovery section was constructed using three layers of high-and low-voltage rectangular channels.Experiments were conducted using nitrogen as a refrigerant with inlet pressures ranging from 4 to 8 MPa，and the temperatures of each measuring point of the multi-layer microchannels in the J-T cryocooler were collected.The cooling characteristics of nitrogen in the various stages of the refrigeration system were analyzed，and the experimental results obtained when nitrogen and argon were used in the JT cryocooler were compared.The results show that， when the inlet pressure is 4-8 MPa， a lower temperature for the nitrogen cold end with increasing pressure corresponds to a shorter time period to reach a stable cold-end temperature.When the inlet pressure is 8 MPa，the cold-end temperature reaches 1.7℃at approximately 200 s.The argon cold-end temperature is lower than that of the nitrogen at the same inlet pressure;however，the time required for the nitrogen to reach the cold-end temperature is shorter than that for the argon.When the inlet pressure is 7 MPa， the temperature of the cold-end argon gas occurs approximately 450 s ahead of time.Further， the temperature drops for nitrogen at an 8 MPa inlet pressure and argon at a 4-5 MPa inlet pressure are similar.In addition，the nitrogen cooling time is shorter.Thus，the use of nitrogen instead of argon can reduce the cooling costs.

KeywordsJoule-Thomson effect;rectangle micro channel;velocity of temperature falling

目前，J-T低溫冷卻器廣泛應(yīng)用于空間飛行器電子設(shè)備冷卻、武器裝備制導(dǎo)及雷達(dá)探測、低溫電子顯微、低溫醫(yī)學(xué)手術(shù)、低溫電子設(shè)備熱控等航空航天、軍事、醫(yī)療等領(lǐng)域[1-5]。

以上相關(guān)領(lǐng)域中元器件需要低溫的工作環(huán)境，低溫環(huán)境可以減少熱干擾，提高設(shè)備儀器的靈敏度，保證工作的可靠性以及正常運行壽命。伴隨諸多領(lǐng)域?qū)ΚM小空間快速降溫的需求，微型節(jié)流制冷器在20世紀(jì)50年代應(yīng)運而生，開式J-T制冷器具有不耗電、結(jié)構(gòu)簡單、啟動時間短、可靠性高等特點，適用于短期使用的裝置中。

制冷工質(zhì)是影響J-T制冷器制冷性能的重要因素，開式制冷系統(tǒng)中一般采用純工質(zhì)做制冷劑。根據(jù)微分節(jié)流效應(yīng)，焦耳-湯姆遜系數(shù)αh為正值時，氣體經(jīng)過節(jié)流過程溫度下降;由氣體溫度轉(zhuǎn)化曲線可知，空氣、氬氣、氮氣、二氧化碳等上轉(zhuǎn)化溫度都高于常溫，這些氣體常溫狀態(tài)下節(jié)流后會產(chǎn)生不同程度的溫降，且αh越大，相同條件下的制冷量越大。

開式制冷系統(tǒng)多采用高純氬氣、氮氣為制冷劑。氬氣的J-T系數(shù)較大，在節(jié)流制冷器的研究過程中，表現(xiàn)出優(yōu)越的制冷特性。K.C.Ng等[6-7]考慮系統(tǒng)漏熱，運用全分布式法對漢普遜J-T效應(yīng)制冷器的傳熱性能進行數(shù)值模擬，并根據(jù)實驗結(jié)果驗證。采用進口壓力p=0.1～20 MPa，初始溫度為290 K的氬氣作為制冷工質(zhì)，實驗與模擬結(jié)果吻合，最低溫度可達(dá)96 K，制冷量為3.5 W。李家鵬等[8]以氬氣為工質(zhì)，用正交試驗參數(shù)優(yōu)化法研究了肋高、肋間距及肋厚對雙螺旋管翅式節(jié)流制冷器熱力性能的耦合影響，在三者最優(yōu)組合下得到換熱量為32.87 J。王宏宇等[9]研究了高壓氬氣在直徑為5 mm的低溫探針中的制冷效應(yīng)，實驗表明:環(huán)境溫度為296.3 K，進氣壓力為20 MPa時，冷端溫度可以達(dá)到112.9 K;進氣壓力為18 MPa時，在291 K的水中，冷端可以形成長4.9 cm，直徑2.8 cm的冰球。通過對氬氣多層微槽道J-T節(jié)流制冷器的實驗研究，得知隨著進氣壓力的升高，冷端溫度逐步降低，進氣溫度為10.5℃，壓力為8 MPa時，冷端最低溫度可達(dá)到-41.1℃。

考慮工程領(lǐng)域的應(yīng)用，氮氣作為制冷工質(zhì)不僅安全可靠，而且相比于氬氣具有價格低、易獲得等優(yōu)勢。W.A.Little[10]首次成功研制出基于光刻蝕腐蝕技術(shù)制造的微型節(jié)流制冷器，采用玻璃基片或硅片刻蝕細(xì)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(dá)到88 K。李巧巧等[11]以氮氣為冷源，用半導(dǎo)體預(yù)冷的微型J-T制冷器對低溫顯微鏡進行降溫實驗，結(jié)合不同壓力下降溫特性和氮氣瓶實用壓力確定理想進氣壓力為7 MPa，通過實驗得到節(jié)流后溫度為-80℃，制冷量約為5 W。H.S.Cao等[12]以氮氣為制冷工質(zhì)，在二級并行的節(jié)流制冷系統(tǒng)中進行實驗研究。制冷器采用具有兩級節(jié)流膨脹的微型結(jié)構(gòu)，外形尺寸為60 mm×9.5 mm×0.72 mm。進口壓力pi=8.5 MPa，出口壓力為0.1 MPa時，第二級冷端溫度達(dá)83 K，制冷量為98 mW。趙慶孝等[13]設(shè)計了一種新型超低溫冷凍醫(yī)療系統(tǒng)，以氮氣為制冷劑，在pi=8.5 MPa，預(yù)冷后溫度-125℃條件下，10 min內(nèi)，在20℃水中形成長5.8 cm，直徑4 cm的冰球。葉萍等[14]研究了氮氣作為制冷劑在冷凍消融探針J-T節(jié)流制冷器中的降溫特性，以乙醇作為預(yù)冷裝置的載冷劑及蓄冷劑，進口壓力為恒壓8 MPa，實驗證明:氮氣流量隨高壓氮氣出口溫度降低而增大;在合理范圍內(nèi)，降低氮氣的預(yù)冷溫度，可獲得更低的探針工作溫度，但會影響回?zé)釗Q熱器的換熱效果。

在相同工況下，氮氣在J-T節(jié)流制冷系統(tǒng)中降溫能力雖弱于氬氣，但可廣泛應(yīng)用于工程領(lǐng)域。本實驗以氮氣為制冷工質(zhì)，研究氮氣在多層微槽道焦湯制冷系統(tǒng)中降溫特性。

1 制冷系統(tǒng)設(shè)計

在環(huán)境溫度下進行實驗，采用開式制冷系統(tǒng)，圖1為實驗臺效果圖。氮氣從高壓氣瓶出來后，通過穩(wěn)壓閥調(diào)節(jié)到工作壓力，用壓力變送器測量進出口氣體壓力。在試件內(nèi)，高壓氣體經(jīng)進口段流入回?zé)岫?，由返流的低溫氣體預(yù)冷，進入節(jié)流段節(jié)流降溫后進入蒸發(fā)腔完成降溫過程，然后作為低溫氣體返回回?zé)岫闻c高壓氣體換熱，最終在出口直接排出。

圖1 實驗臺效果圖Fig.1 Schematic of experimental setup

現(xiàn)有制冷器通道層狀結(jié)構(gòu)層數(shù)很少，通道數(shù)目和制冷量有限，因此，提出多層微通道回?zé)釗Q熱焦湯制冷器并行強化通道換熱[15-16]。

根據(jù)壓降大小確定試件各階段具體尺寸。首先，參照預(yù)期制冷量和用氣量假設(shè)制冷過程中的氮氣流量，再根據(jù)Re選取各階段合適的摩擦阻力系數(shù)關(guān)聯(lián)式，在各階段計算中分別給定該階段的進口溫度和壓力的初值，應(yīng)用上述參數(shù)計算出各階段壓降，最終得到試件整體壓降，根據(jù)試件出口處壓降的大小適當(dāng)調(diào)整各階段尺寸。

制冷器總長200 mm，包括進口段、回?zé)岫?、?jié)流段、蒸發(fā)腔四部分，如圖2所示，試件進口段長10 mm，采用12個直徑0.5 mm的小圓柱做支撐;回?zé)岫伍L140 mm，通道采用多條矩形型式，設(shè)置高低壓通道各三層交叉疊放，每層各6條通道，高壓回?zé)峋匦瓮ǖ栏?.1 mm，寬0.3 mm，低壓回?zé)峋匦瓮ǖ栏?.4mm，寬0.3 mm;節(jié)流段長40 mm，采用當(dāng)量直徑為0.067 mm的矩形通道，高壓回?zé)岫闻c節(jié)流段連接處采用4個直徑為0.5 mm的小圓柱支撐;蒸發(fā)腔長10 mm，斜角角度150°。高低壓通道邊板厚度1 mm，頭部厚度1.5 mm。材料方面，制冷器以不銹鋼居多，也有玻璃等材料[1，2，17]。根據(jù)強度需求，采用不銹鋼為制作材料。

圖2 節(jié)流制冷器高低壓通道Fig.2 High and low pressure channel schematic diagram of J-T cryocooler

試件結(jié)構(gòu)尺寸設(shè)計完成后，進行試件加工制作。首先在板片上光刻蝕出設(shè)計的通道，然后采用線切割的方式將微通道板片切割成單片微通道，并按照設(shè)計中高低壓通道順序?qū)⒏鲉纹⑼ǖ琅帕姓R，最后采用擴散融合焊接技術(shù)焊接成整體。

進出口溫度測量(即t1和t10)采用銅-康銅(T型)熱電偶，分別置于圖2(a)中高壓進口與低壓出口處，實驗所用熱電偶的精度為±0.1℃。表面貼片熱電偶在試件上的位置如圖3所示，2～9號依次貼在試件上，最冷端測點為8和9號，熱電偶精度為±0.1℃。

圖3 熱電偶貼片位置Fig.3 Thermocouples placements

壓力變送器量程為0～10 MPa，精度等級為0.2級，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 0～50 NL/min，最大耐壓10 MPa，精度1%。

2 氮氣制冷器實驗

本實驗選用入口溫度295 K左右的氮氣，對其在多層微槽道J-T節(jié)流制冷系統(tǒng)中的制冷效果進行實驗研究，采集進口壓力在4～8 MPa范圍內(nèi)4、5、6、7、8 MPa 5個壓力工況下的數(shù)據(jù)。

實驗前，首先對系統(tǒng)進行檢漏和保壓，確定實驗系統(tǒng)無氣體泄漏;然后，打開壓力變送器及安捷倫34970A電源，并設(shè)置熱電偶測溫通道，確保各測量設(shè)備讀數(shù)顯示正常;最后，對真空罐抽真空，形成真空后，關(guān)閉真空泵，經(jīng)保壓測試完成實驗前的準(zhǔn)備工作。實驗時，打開氣瓶閥門，旋轉(zhuǎn)減壓閥至實驗工況數(shù)值，開始實驗數(shù)據(jù)實時采集，待各項數(shù)據(jù)穩(wěn)定后，保存溫度數(shù)據(jù)，同時記錄壓力數(shù)值，完成一個工況的實驗。進行下一工況實驗前，需等待一段時間，確保實驗系統(tǒng)內(nèi)無殘余工質(zhì)且試件溫度恢復(fù)至常溫。完成所有實驗工況測試后，排出系統(tǒng)內(nèi)氣體，關(guān)閉氣瓶與各測量設(shè)備電源，實驗結(jié)束。

圖4所示為不同壓力下各測點溫度隨時間的變化，測點8和9的位置完全對稱，以兩點溫度均值命名為測點8′。各壓力狀態(tài)下，測點3～8溫度都隨時間呈不同程度降低，且都是先降低，隨后溫度穩(wěn)定在某一水平，分別達(dá)到該工況下各測點的最低溫度。在各壓力下8′點的溫度都低于其他測點，代表測點8、9位于試件節(jié)流段后頭部腔體的溫度，即試件的冷端溫度。

由圖5各壓力下冷端溫度變化可知，壓力越大各測點溫度的降幅越大，變化越不平穩(wěn)，相對降溫速度越快。 4、5、6、7、8 MPa 下冷端溫度分別為 7.2、3.6、3.1、2.3和1.7℃，相比進口溫度分別下降約13.8、17.4、17.9、18.7和19.3 ℃;4 MPa時，溫度在 600 s后趨于穩(wěn)定，穩(wěn)定后溫度方差為0.015℃;6 MPa下，溫度在300 s后趨于穩(wěn)定，穩(wěn)定后溫度方差為0.029℃;8 MPa下，溫度在200 s后趨于穩(wěn)定，穩(wěn)定后溫度方差為0.170℃。

圖6所示為各壓力下測點的溫度分布，結(jié)合制冷試件的整體設(shè)計結(jié)構(gòu)分析，測點1～2為試件進口段，溫度變化極小，從測點3開始進入回?zé)釗Q熱段，高低壓層之間由于溫差而持續(xù)換熱，回?zé)釗Q熱產(chǎn)生的降溫延續(xù)到測點6，進口壓力為8 MPa時，該階段產(chǎn)生12.5℃的溫降;從測點6開始為試件的節(jié)流段，由于節(jié)流效應(yīng)，溫度快速下降，到測點7為止節(jié)流段產(chǎn)生的溫降為5.3℃，節(jié)流段降溫速率明顯較回?zé)岫翁岣?。最后進入蒸發(fā)腔內(nèi)，溫度達(dá)到最低，以8 MPa為例，7～8測點溫降為0.7℃。整個制冷過程溫降共為19.2℃，回?zé)岫谓禍卣伎偨禍乇壤s65.3%，節(jié)流段降溫占比約31.2%，最終可以將溫度降低到5℃以下，產(chǎn)生制冷效果。

3 氮氣與氬氣制冷器對比實驗

分別選用氮氣與氬氣為制冷劑，將二者在該制冷系統(tǒng)中得到的冷端溫度進行對比。

圖4 不同壓力下各測點溫度隨時間的變化Fig.4 The measuring point temperature versus time under different inlet pressure

圖5 各壓力下冷端溫度隨時間變化Fig.5 The cold end temperature versus time under different inlet pressure

圖6 各壓力下測點的溫度分布Fig.6 Temperature distribution of the measuring points under different pressure

實驗中壓力范圍為4～8 MPa，選取中間三種連續(xù)壓力的數(shù)據(jù)得到不同壓力下兩種工質(zhì)冷端溫度變化，如圖7所示，可以看出:相同進口壓力下，氮氣的冷端溫度總是高于氬氣的冷端溫度，且隨著時間推移，二者溫差逐步增大直至兩種工質(zhì)的制冷溫度都達(dá)到穩(wěn)定。5～7 MPa，氮氣冷端溫度與氬氣冷端溫度的差值依次為5.7、10.4℃和16.3℃，隨著制冷工質(zhì)進口壓力增大，氮氣與氬氣冷端溫度的差值逐漸增大。

進口壓力為5 MPa時，氮氣達(dá)到冷端溫度的時間約在600 s，氬氣約在800 s;進口壓力為6 MPa時，氮氣達(dá)到冷端溫度的時間約在300 s，氬氣約在700 s;進口壓力為7 MPa時，氮氣達(dá)到冷端溫度的時間約在150 s，氬氣約在600 s;5～7 MPa下，二者穩(wěn)定時間差值依次為200 s、400 s、450 s。 隨著壓力的增大，二者達(dá)到冷端溫度的時間都縮短;但在同樣進口壓力下，氮氣速度總是比氬氣快，且壓力越大，二者達(dá)到冷端溫度的時間相差越大。

由圖8可知，pi=8 MPa時氮氣大約在200 s內(nèi)完成降溫，而pi=4 MPa、5 MPa的氬氣分別在850 s、800 s左右冷端溫度才趨于穩(wěn)定，氮氣達(dá)到冷端溫度的速度明顯比氬氣快。

圖7 不同壓力下兩種工質(zhì)冷端溫度變化Fig.7 The cold end temperature of two working fluids under different pressure

圖8 4 MPa、5 MPa氬氣與8 MPa氮氣的冷端溫度隨時間變化Fig.8 The cold end temperature versus time of argon at 4 MPa、5 MPa and nitrogen at 8 MPa

pi=8 MPa時，氮氣前200 s內(nèi)溫降較大，200～900 s內(nèi)溫度基本穩(wěn)定，冷端溫度的穩(wěn)定值約為1.5℃，從初始到穩(wěn)定冷端溫降為13.2℃;在pi=4 MPa、5 MPa下，氬氣降溫速率都較慢，pi=4 MPa時氬氣穩(wěn)定值約為6.5℃，冷端溫降為8.4℃，pi=5 MPa時氬氣穩(wěn)定值約為-1.0℃，冷端溫降為16.1℃。pi=8 MPa下氮氣冷端溫降大于pi=4 MPa下氬氣冷端溫降，小于pi=5 MPa下氬氣冷端溫降，穩(wěn)定的冷端溫度處于pi=4 MPa和pi=5 MPa氬氣的冷端溫度之間，上下差值小于3℃。

對比pi=8 MPa下氮氣與pi=4 MPa、5 MPa下氬氣的降溫效果，前者降溫速度更快，達(dá)到穩(wěn)定冷端溫度的時間更短。因此，在壓力合適的條件下，尤其是對降溫速率要求較高的應(yīng)用中可以考慮用進口壓力為8 MPa的氮氣代替進口壓力為4～5 MPa的氬氣作為制冷工質(zhì)。由于系統(tǒng)承壓有限且沒有增壓裝置，沒有進行更高壓力的實驗，得到的實驗結(jié)果有限。

4 結(jié)論

實驗研究了氮氣在微槽道焦湯制冷系統(tǒng)中的制冷性能，對比了氮氣與氬氣的制冷效果，分析了氮氣作為制冷工質(zhì)時適用的條件和場合，得到以下結(jié)論:

1)進口壓力在4～8 MPa范圍內(nèi)，進口壓力越大，氮氣可獲得的冷端溫度越低，降溫速率越快;當(dāng)進口壓力為8 MPa時，氮氣的冷端溫度在200 s左右趨于穩(wěn)定，穩(wěn)定的冷端溫度約為1.7℃。因此，在合適的壓力范圍內(nèi)，可以考慮提高氮氣的進口壓力以更快的獲得更低的冷端溫度。

2)對比氮氣與氬氣在微通道焦湯制冷系統(tǒng)中的降溫特性，實驗范圍內(nèi)，在相同進口壓力下，氮氣達(dá)到穩(wěn)定的冷端溫度的時間比氬氣快，進口壓力為5、6、7 MPa 下，二者穩(wěn)定時間差值依次為 200、400、450 s，但氮氣的冷端溫度比氬氣高。

3)在進口壓力為8 MPa時，氮氣穩(wěn)定的冷端溫度介于進口壓力分別為4 MPa和5 MPa氬氣的冷端溫度之間，降溫速率比氬氣更快，故在壓力允許的條件下，可以考慮采用進口壓力為8 MPa的氮氣代替進口壓力為4～5 MPa的氬氣，減少制冷劑成本。

本文將多層微槽道結(jié)構(gòu)用于焦湯制冷器，并對氮氣替代氬氣的制冷效果進行了初步研究，該試件阻力大于預(yù)算，流量較小，試件結(jié)構(gòu)還有待改善。

本文受上海市自然科學(xué)基金(14ZR1429100)資助。(The project was supported by Shanghai Municipal Natural Science Foundation(No.14ZR1429100).)

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[17]閆彪，公茂瓊，吳劍峰.微型壓縮機驅(qū)動的微型混合工質(zhì)J-T制冷器實驗研究[J].制冷學(xué)報，2013，34(4):14-17.(YAN Biao， GONG Maoqiong， WU Jianfeng.Experimental investigation on a miniature mixed refrigerant J-T refrigerator driven by a mini-compressor[J].Journal of Refrigeration，2013，34(4):14-17.)

Experimental Study on Multilayer Rectangular Micro-channel Joule-Thomson Cryocooler with Nitrogen

Geng Hui1Cui Xiaoyu1Wang Wenqing1Weng Jianhua2
(1.School of Energy and Power Engineering， University of Shanghai for Science and Technology， Shanghai， 20093，China;2.School of Energy&Mechanical Engineering， Shanghai University of Electric Power，Shanghai， 20090，China)

TB61+1;TB66

A

2016年11月7日

0253-4339(2017)05-0093-06

10.3969/j.issn.0253-4339.2017.05.093

崔曉鈺，女，教授，上海理工大學(xué)能源與動力工程學(xué)院，13166199495，E-mail:xiaoyu_cui@usst.edu.cn. 研究方向:工程熱物理。

About the corresponding authorCui Xiaoyu， female， professor， School of energy and power engineering， University of Shanghai for Science and Technology， +86 13166199495，E-mail:xiaoyu_cui@usst.edu.cn.Research fields:engineering thermophysics.