王文卿 崔曉鈺 耿 暉 韓小晨 翁建華

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

氬氣微槽道焦-湯效應(yīng)制冷器實(shí)驗(yàn)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(xué)能源與動(dòng)力工程學(xué)院 上海 200093) (2上海電力學(xué)院能源與機(jī)械工程學(xué)院 上海 200090)

漢普遜型J-T效應(yīng)制冷器結(jié)構(gòu)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(shù)應(yīng)用于J-T效應(yīng)制冷器，設(shè)計(jì)出一種新型的多層微槽道J-T效應(yīng)制冷器試件，并搭建實(shí)驗(yàn)臺(tái)對(duì)其進(jìn)行性能測(cè)試與分析。實(shí)驗(yàn)以進(jìn)口溫度7.5 ℃和10.5 ℃，進(jìn)口壓力4 MPa至8 MPa的氬氣為冷源，對(duì)各測(cè)點(diǎn)的溫度進(jìn)行采集，并完成冷端溫度的性能測(cè)試與分析。實(shí)驗(yàn)表明，在相同的進(jìn)氣溫度下，隨著進(jìn)氣壓力增高，冷端溫度降低，在進(jìn)氣溫度為10.5 ℃、壓力為8 MPa時(shí)冷端溫度最低可達(dá)-41.1 ℃。同時(shí)，在相同的進(jìn)氣壓力下，冷端溫度隨進(jìn)氣溫度的降低而降低，在進(jìn)氣壓力7 MPa下，進(jìn)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(shí)驗(yàn)系統(tǒng) 制冷性能

1 引 言

微型J-T效應(yīng)制冷器的研究始于20世紀(jì)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(diǎn)，廣泛應(yīng)用于低溫電子技術(shù)、空間技術(shù)、紅外探測(cè)器及冷凍外科手術(shù)等領(lǐng)域[1]。

陳兒同[2]等以氮?dú)鉃槔湓?，用半?dǎo)體預(yù)冷的微型J-T制冷器對(duì)低溫顯微鏡進(jìn)行降溫實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)表明氮?dú)獾淖罴堰M(jìn)氣壓力為7 MPa，系統(tǒng)在-80 ℃時(shí)有5 W的制冷量。王宏宇等[3]實(shí)驗(yàn)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(xì)管內(nèi)徑0.4 mm，長(zhǎng)度100 mm，節(jié)流段為節(jié)流噴嘴。實(shí)驗(yàn)采用開式制冷系統(tǒng)，結(jié)果表明在進(jìn)氣壓力20 MPa時(shí)，探針尖端最低溫度可達(dá)112.9 K，進(jìn)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(duì)一種快速啟動(dòng)的錐形節(jié)流制冷器進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)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(shí)間少于2.3 s，芯片降溫至同樣溫度的時(shí)間少于7.21 s。

目前應(yīng)用的J-T效應(yīng)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(jìn)出口段和蒸發(fā)段組成，如圖1，單級(jí)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?zé)釗Q熱器的緊湊程度，增強(qiáng)制冷效果，微槽道技術(shù)被應(yīng)用于J-T效應(yīng)制冷器中。微槽道具有高表面積-體積比的優(yōu)點(diǎn)，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(guò)200 W[6]。

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

美國(guó)斯坦福大學(xué)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(shù)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(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?dú)鉃楣べ|(zhì)，在運(yùn)行高壓為16.5 MPa的開式循環(huán)系統(tǒng)對(duì)該制冷器進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，最低溫度達(dá)到了88 K。Lerou[8]運(yùn)用刻蝕加工技術(shù)在刻蝕有矩形槽道的玻璃圓片上制作了J-T效應(yīng)制冷器，以氮?dú)鉃楣べ|(zhì)進(jìn)行試驗(yàn)，所設(shè)計(jì)試件制冷量最大可達(dá)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(shù)制作微針肋條結(jié)構(gòu)的逆流換熱器，采用進(jìn)口壓力為1.6、1.7 MPa的氮?dú)夂图淄榈?種工質(zhì)組成的混合工質(zhì)，通過(guò)閉式制冷系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，獲得的最低溫度為230 K。

本文將微槽道技術(shù)與J-T效應(yīng)制冷器結(jié)合，提出一種新型多層微槽道焦-湯效應(yīng)制冷器方案，并對(duì)其進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究。實(shí)驗(yàn)采用開式系統(tǒng)，基于本實(shí)驗(yàn)以微通道焦-湯節(jié)流制冷器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)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?dú)?、氬氣等。從J-T效應(yīng)機(jī)理以及各氣體的轉(zhuǎn)化曲線[4]，可以確定氬氣達(dá)到的制冷效果優(yōu)于氮?dú)猓员疚⒅评湎到y(tǒng)選用氬氣作為實(shí)驗(yàn)工質(zhì)。

2 實(shí)驗(yàn)試件設(shè)計(jì)

圖2為微通道回?zé)釗Q熱J-T效應(yīng)制冷器試件示意圖。試件選用不銹鋼制作，分為進(jìn)口段、回?zé)釗Q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(xiàn)中總結(jié)經(jīng)驗(yàn)，并結(jié)合加工工藝及理論計(jì)算對(duì)試件結(jié)構(gòu)尺寸進(jìn)行確定。制冷器總長(zhǎng)200 mm，其中進(jìn)口處10 mm，回?zé)岫伍L(zhǎng)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(jìn)口段支撐圓柱根據(jù)加工要求確定為直徑0.5 mm，共12個(gè)，在高壓通道與節(jié)流段連接處有4個(gè)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(jìn)出口采用上進(jìn)下出的方式，通道采用多條矩形型式，設(shè)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(shè)計(jì)順序擺放整齊后，放到爐內(nèi)進(jìn)行擴(kuò)散融合焊接成整體，試件實(shí)物圖如圖3所示。

圖3 試件實(shí)物圖Fig.3 Picture of physical specimen

3 制冷系統(tǒng)設(shè)計(jì)

本實(shí)驗(yàn)采用開式制冷系統(tǒng)，圖4為實(shí)驗(yàn)臺(tái)效果

圖。氬氣從高壓氣瓶出來(lái)之后，通過(guò)減壓穩(wěn)壓閥調(diào)節(jié)到工作壓力，并通過(guò)流量計(jì)獲得流量值。因?yàn)槌氐臍鍤饪梢灾苯又评?，為了便于?duì)比，設(shè)計(jì)時(shí)進(jìn)氣分為兩路。一路是氣體不經(jīng)過(guò)預(yù)冷換熱器直接通過(guò)溫度和壓力變送器后進(jìn)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(guò)預(yù)冷換熱器，用出口氣體來(lái)預(yù)冷高壓進(jìn)氣后再排出室外，實(shí)驗(yàn)臺(tái)實(shí)物圖如圖5所示。

圖4 實(shí)驗(yàn)臺(tái)效果圖Fig.4 Schematic of experimental setup

圖5 實(shí)驗(yàn)臺(tái)照片F(xiàn)ig.5 Picture of experiment setup

進(jìn)出口溫度測(cè)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(hào)依次貼在試件上，最冷端測(cè)點(diǎn)為9和10號(hào)，熱電偶的準(zhǔn)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(jí)為0.2級(jí)，其絕對(duì)不確定度為0.02 MPa。質(zhì)量流量計(jì)采用XD-600數(shù)字型質(zhì)量流量計(jì)，選用量程0-50SLPM，最大耐壓10 MPa，準(zhǔn)確度1%。

4 實(shí)驗(yàn)研究與結(jié)果分析

本實(shí)驗(yàn)對(duì)設(shè)計(jì)制作的微槽道J-T效應(yīng)制冷器試件的降溫特性、制冷能力進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究。

開始實(shí)驗(yàn)前首先對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行檢漏和保壓，確定實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)無(wú)氣體泄露；隨后，打開流量計(jì)，壓力變送器及安捷倫34970A電源，并設(shè)置熱電偶測(cè)溫通道，確保各測(cè)量設(shè)備讀數(shù)顯示正常；最后，對(duì)真空罐抽真空，形成真空后，關(guān)閉真空泵，經(jīng)保壓測(cè)試完成實(shí)驗(yàn)前的準(zhǔn)備工作。

實(shí)驗(yàn)時(shí)，打開氣瓶閥門，旋轉(zhuǎn)減壓閥至實(shí)驗(yàn)工況數(shù)值，開始實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)采集，待各項(xiàng)數(shù)據(jù)穩(wěn)定后，保存溫度數(shù)據(jù)，同時(shí)記錄流量和壓力數(shù)值，完成一個(gè)工況的實(shí)驗(yàn)。在進(jìn)行下一個(gè)工況的實(shí)驗(yàn)前，需等待一定時(shí)間，確保實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)內(nèi)無(wú)殘余工質(zhì)且試件溫度恢復(fù)至常溫。完成所有實(shí)驗(yàn)工況的測(cè)試后，排出系統(tǒng)內(nèi)氣體，關(guān)閉氣瓶與各測(cè)量設(shè)備電源，結(jié)束實(shí)驗(yàn)。

4.1 進(jìn)口壓力的影響

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

圖7為進(jìn)口壓力8 MPa，進(jìn)口溫度10.5 ℃時(shí)，各測(cè)點(diǎn)溫度隨時(shí)間的變化圖，可以看出2號(hào)至10號(hào)熱電偶的溫度隨時(shí)間的增加在所測(cè)時(shí)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(shí)間逐步降低，在600—700 s內(nèi)溫度逐漸趨于穩(wěn)定，從9號(hào)與10號(hào)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(shí)各測(cè)點(diǎn)溫度隨時(shí)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(jìn)口壓力8 MPa、進(jìn)口溫度10.5 ℃時(shí)，各測(cè)點(diǎn)最低點(diǎn)溫度圖所示，溫降從2號(hào)測(cè)溫點(diǎn)開始，2—5號(hào)溫度依次緩慢降低，溫度在5—8號(hào)處降幅最大，從8—10號(hào)溫降逐漸趨于緩慢，在9號(hào)和10號(hào)測(cè)點(diǎn)處獲得最低溫度。5號(hào)位于多層微槽道換熱結(jié)構(gòu)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(hào)溫降也相應(yīng)較大；從6號(hào)熱電偶的位置開始，實(shí)驗(yàn)工質(zhì)進(jìn)入節(jié)流段，其受到的流動(dòng)阻力突然增大，通道內(nèi)氬氣的壓力減小，故6號(hào)位置溫度大幅下降，在7號(hào)和8號(hào)位置繼續(xù)下降，經(jīng)過(guò)8號(hào)位置后氣體進(jìn)入相對(duì)較大空間的蒸發(fā)腔內(nèi)，壓力進(jìn)一步降低而使溫度隨之下降，9號(hào)和10號(hào)為整個(gè)試件溫度最低點(diǎn)。氣體從蒸發(fā)腔返回低壓通道，與高壓來(lái)流進(jìn)行換熱最后排出試件，11號(hào)測(cè)試為試件出口溫度。

圖8 8 MPa，10.5 ℃時(shí)試件上各測(cè)點(diǎn)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(shí)間的變化圖。當(dāng)進(jìn)氣壓力為8 MPa時(shí)降溫速率最快，在10 min內(nèi)冷端溫度T9降低40 ℃左右，而進(jìn)氣壓力為4 MPa時(shí)在10 min內(nèi)僅降低12 ℃左右，其余進(jìn)氣壓力下在相同時(shí)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(shí)間變化圖Fig.9 Cold end temperature versus time under different inlet pressure

綜上所述，隨著進(jìn)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(jìn)口溫度為10.5 ℃，壓力為8 MPa時(shí)冷端溫度最低達(dá)到-41.1 ℃。

4.2 進(jìn)口溫度的影響

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

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

5 結(jié) 論

本文對(duì)實(shí)驗(yàn)試件不同壓力，不同溫度下的降溫特性進(jìn)行分析，結(jié)論如下：

(1)試件大幅度降溫過(guò)程主要集中在5—8號(hào)測(cè)點(diǎn)區(qū)，這是由于6號(hào)測(cè)點(diǎn)位于節(jié)流區(qū)進(jìn)口，氬氣受到的流動(dòng)阻力突然增大，壓降增大，故6—8號(hào)測(cè)點(diǎn)區(qū)溫度大幅下降。而5號(hào)測(cè)點(diǎn)位于回?zé)岫文┒?，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(hào)測(cè)點(diǎn)區(qū)溫降也相應(yīng)較大。

(2)進(jìn)氣溫度相同時(shí)，通過(guò)對(duì)5種不同的進(jìn)氣壓力的實(shí)驗(yàn)表明，進(jìn)氣壓力越高，冷端溫度越低，在進(jìn)氣溫度為10.5 ℃，壓力為8 MPa時(shí)，冷端最低溫度(T9)達(dá)到-41.1 ℃。隨著進(jìn)氣壓力的增加，冷端降溫速率也不斷上升，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，在相同時(shí)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(jìn)氣壓力相同時(shí)，對(duì)進(jìn)氣溫度10.5 ℃和7.5 ℃進(jìn)行對(duì)比，7.5 ℃的進(jìn)氣溫度下試件冷端達(dá)到的最低溫度均低于10.5 ℃，所以進(jìn)氣溫度越低，節(jié)流后所能達(dá)到的溫度越低。同時(shí)，進(jìn)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(jìn)氣壓力的升高，兩者冷端最低溫度的差值逐步增大。

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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(xué)基金項(xiàng)目(14ZR1429100)項(xiàng)目資助。

王文卿，男，26歲，碩士研究生。

TB657

A

1000-6516(2016)05-0046-05