常志昊，崔曉鈺，耿暉，佘海龍

（上海理工大學(xué)能源與動(dòng)力工程學(xué)院，上海200093）

引 言

微小型節(jié)流制冷器因體積小、制冷溫度低、降溫速度快、無(wú)運(yùn)動(dòng)部件等特點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于紅外制導(dǎo)[1]、電子設(shè)備散熱[2]、低溫醫(yī)療[3]等領(lǐng)域。節(jié)流制冷器逆流換熱段結(jié)構(gòu)對(duì)性能有決定性的影響，從早期的單氣路螺旋管（漢普遜型節(jié)流制冷器）發(fā)展到雙螺旋漸開(kāi)線溝槽、雙氣路、燒結(jié)粉末、套管式、軟線型以及刻蝕微通道等結(jié)構(gòu)。Tsuzuki 等[4-9]的研究表明，微通道結(jié)構(gòu)在高效換熱方面具有獨(dú)特優(yōu)勢(shì)，其中矩形直槽道結(jié)構(gòu)最為常見(jiàn)，可應(yīng)用于節(jié)流制冷。1982 年，Little[10]成功研制出逆流換熱段為單層高、低壓矩形槽道，節(jié)流機(jī)構(gòu)為小孔的微型節(jié)流制冷器，矩形槽道特征尺寸為幾到幾十微米，10 MPa進(jìn)口壓力下，制冷器典型性能值為83 K@250 mW。2005 年，Lerou 等[11]制作的節(jié)流制冷器同樣為單層高、低壓矩形槽道結(jié)構(gòu)，回?zé)釗Q熱段和節(jié)流通道的尺寸分別為8.9 mm×1.5 mm×0.03 mm，0.083 mm×1 mm×3×10-4mm，以氮?dú)鉃閷?shí)驗(yàn)工質(zhì)，在8 MPa入口壓力下，性能達(dá)到97 K@4.57 mW。隨后，Lerou 等[12]又從減少熵增的角度建立數(shù)學(xué)模型對(duì)逆流換熱段矩形槽道的長(zhǎng)寬高進(jìn)行優(yōu)化，性能目標(biāo)設(shè)定為96 K@14.7 mW，得到兩組優(yōu)化結(jié)果：37 mm×2.1 mm×53 μm 和17 mm×2.0 mm×35 μm。2015 年，Gong 等[13]采用線切割的方法，在不銹鋼板兩側(cè)加工平行矩形微槽道，制作出回?zé)岫螢榘宄崾綋Q熱器的節(jié)流制冷器芯體。低壓通道翅片高度為3 mm，高壓為2.5 mm，兩個(gè)鰭之間的距離為0.2 mm，采用微型壓縮機(jī)驅(qū)動(dòng)的混合工質(zhì)閉式系統(tǒng)，結(jié)果表明，1.7 MPa的高壓下，制冷器性能達(dá)到118 K@4 W。2016 年，Cao 等[14]在一款兩級(jí)節(jié)流微通道制冷器中分別布置了8 條和4條平行的矩形槽道作為一級(jí)和二級(jí)節(jié)流機(jī)構(gòu)，截面尺寸分別為1 mm×0.135 mm×1.1 μm 和0.028 mm×1.1 μm。為了進(jìn)一步增強(qiáng)矩形槽道的承壓能力、提升換熱性能，一些學(xué)者嘗試采用微圓柱針肋結(jié)構(gòu)。2007 年，Lerou 等[15]建立數(shù)學(xué)模型優(yōu)化制冷器結(jié)構(gòu)，在單層高、低壓矩形通道中采用一定密度的支撐針肋。2015 年，王昂等[16]采用順排的復(fù)合微針肋條回?zé)釗Q熱結(jié)構(gòu)制作出特征尺寸0.1 mm 的單層高、低壓微微型節(jié)流制冷器。高壓側(cè)針肋直徑0.4 mm，高度0.8 mm；低壓側(cè)直徑0.4 mm，高度1.0 mm。采用微型壓縮機(jī)驅(qū)動(dòng)的閉式系統(tǒng)，實(shí)驗(yàn)表明，以混合工質(zhì)為制冷劑空載時(shí)能達(dá)到頭部220 K的制冷溫度。2016 年，Cao 等[14]提及的兩級(jí)微通道節(jié)流制冷器的高、低壓矩形通道布置了尺寸不同的順排微圓柱針肋，這些微針肋能增強(qiáng)回?zé)峤Y(jié)構(gòu)的換熱并產(chǎn)生顯著分布式節(jié)流效應(yīng)。高低壓回?zé)嵬ǖ澜孛娉叽缇鶠?.1 mm×40 μm。實(shí)驗(yàn)表明，高壓為8.0 MPa 和8.5 MPa，低壓0.1 MPa 時(shí)，達(dá)到83 K 冷端溫度所需時(shí)間分別為12 min 和9 min，制冷量為88 mW 和98 mW。2019 年，Cao 等[17]為了探究針肋排布方式對(duì)制冷器回?zé)嵝阅艿挠绊戇M(jìn)行了模擬研究，并采用濕式刻蝕制作出不同針肋排布形式的單層高低壓回?zé)岫谓Y(jié)構(gòu)。以氮?dú)鉃楣べ|(zhì)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，入口高壓8 MPa 下，錯(cuò)排和順排針肋結(jié)構(gòu)的制冷器性能分別為99 K@194 mW 和99 K@187 mW。

此外，應(yīng)用于節(jié)流制冷器的微通道結(jié)構(gòu)還包括螺旋通道、Z型通道等。1992年，Mikulin等[18]制作出兩種平板制冷器，其中一種由兩塊鋼板和一塊銅板構(gòu)成單層高低壓結(jié)構(gòu)，回?zé)釗Q熱段的高壓為0.65 mm×0.13 mm 的矩形通道，低壓是截面為2.25 mm×0.12 mm的Z型通道。另外一種為圓盤式制冷器，通道為螺旋形式，它僅含一塊刻蝕板，回?zé)崤c節(jié)流通道截面分別為0.5 mm×0.135 mm、0.2 mm×0.12 mm。1999 年，Narayanan 等[19]制作出的單層通道節(jié)流制冷器回?zé)岫尾捎酶叩蛪浩叫械腪 型擾流通道，節(jié)流段采用尺寸更小的Z 型通道，其中回?zé)岫瓮ǖ澜孛鏋?00 μm×30 μm 。實(shí)驗(yàn)表明，在20～150 K 的冷端溫度下有10～1000 mW的制冷量。

從以上文獻(xiàn)可以看出，目前研究的回?zé)峁?jié)流制冷器多為單層高、低壓通道結(jié)構(gòu)，制冷量普遍較小，約為幾十毫瓦。隨著加工技術(shù)的進(jìn)步，出現(xiàn)了印刷電路板換熱器(PCHE)，其工藝是通過(guò)在金屬板片上采用光電或化學(xué)刻蝕技術(shù)形成通道結(jié)構(gòu)，不同的板片間通過(guò)原子擴(kuò)散融合焊疊置形成多層微通道平行流緊湊式換熱器的芯體，緊湊度可達(dá)2500 m2/m3，傳熱效率可高達(dá)98%[20]；采用不銹鋼材料可承受高達(dá)60 MPa 的高壓和低至73 K 的低溫[21]。應(yīng)用印刷電路板式換熱器理論上可以通過(guò)多通道并行有效提高微通道節(jié)流制冷器的制冷量，并且可以在單層板片上刻蝕出結(jié)構(gòu)不同的微通道以實(shí)現(xiàn)不同流程的回?zé)岷凸?jié)流。本文設(shè)計(jì)制作出兩種印刷電路板式微通道節(jié)流制冷器，均為多層微通道并行。第一種制冷器回?zé)岷凸?jié)流結(jié)構(gòu)為大小矩形直槽道相搭配，前段以回?zé)釗Q熱為主，后段以節(jié)流降溫為目的。第二種為微圓柱針肋結(jié)構(gòu)，高壓流體同時(shí)實(shí)現(xiàn)回?zé)岷凸?jié)流降溫，低壓流體同時(shí)實(shí)現(xiàn)回?zé)犷A(yù)冷高壓流體并節(jié)流。通過(guò)實(shí)驗(yàn)研究了兩種不同結(jié)構(gòu)制冷器的溫降特性并進(jìn)行比較。

1 制冷器結(jié)構(gòu)

參考文獻(xiàn)經(jīng)驗(yàn)、加工工藝和工況需求，并考慮各分段的作用和特點(diǎn)，假定第一種制冷器的初始尺寸。根據(jù)工況和初始尺寸計(jì)算得到的Reynolds數(shù)選取各分段合適的壓降關(guān)聯(lián)式，計(jì)算出各分段壓降，求和得到試件整體壓降，試件出口壓力以接近大氣壓力為宜。根據(jù)出口處壓力的大小反復(fù)調(diào)整試件各分段長(zhǎng)度和截面尺寸，最終確定具體結(jié)構(gòu)的尺度以及分段長(zhǎng)度。為了便于比較，第二種制冷器的回?zé)釗Q熱結(jié)構(gòu)的長(zhǎng)度設(shè)置與第一種相同，在相同工況下初步設(shè)置柱群參數(shù)，同樣根據(jù)關(guān)聯(lián)式計(jì)算得出的出口壓力反復(fù)調(diào)整柱群參數(shù)，得到最終尺寸。兩種印刷電路板式微通道節(jié)流制冷器的單層通道板片結(jié)構(gòu)如圖1所示，上方板片代表高壓進(jìn)氣流道，下方板片代表低壓氣體流道。高壓板片對(duì)應(yīng)進(jìn)口孔，低壓板片對(duì)應(yīng)出口孔。高低壓板片的孔口在平面上呈軸對(duì)稱分布。進(jìn)出孔口旁布置有密度較小的順排圓柱群，起到支撐試件與對(duì)工質(zhì)導(dǎo)流的作用。矩形微槽道結(jié)構(gòu)的制冷器（稱為試件一）按作用的不同從軸向劃分為進(jìn)出口段、回?zé)釗Q熱段(CFHX)、節(jié)流段(R)、膨脹腔四部分。高壓板片回?zé)釗Q熱段有6條矩形槽道，長(zhǎng)度為105 mm，單條槽道水力直徑463 μm；節(jié)流段有6 條與之相連接的矩形槽道，長(zhǎng)40 mm，單條水力直徑120 μm。低壓板片為6 條水力直徑463 μm 的矩形槽道，長(zhǎng)145 mm。高壓氣體由進(jìn)口孔進(jìn)入，在CFHX 中與低壓返流工質(zhì)回?zé)釗Q熱(1→2)，預(yù)冷后的高壓氣體通過(guò)節(jié)流段(2→3)，隨后進(jìn)入膨脹腔可對(duì)外熱源進(jìn)行冷卻(3→4)。吸熱后工質(zhì)返流進(jìn)入低壓板片(4→5)，與高壓工質(zhì)換熱，從出口孔流出制冷器。

圖1 兩種制冷器高低壓板片內(nèi)部通道平面圖Fig.1 Internal structure of coolers

具有一定密度微圓柱針肋的結(jié)構(gòu)能產(chǎn)生分布式J-T 效應(yīng)。微針肋結(jié)構(gòu)的制冷器（稱為試件二）由進(jìn)出口段、回?zé)釗Q熱并節(jié)流段(CFHX)、膨脹腔三部分組成。回?zé)峁?jié)流段高低壓板片均為錯(cuò)排布置的微圓柱針肋，氣體流道當(dāng)量直徑337 μm。高壓氣體從進(jìn)口孔進(jìn)入，在CFHX（1′→2′）中同時(shí)回?zé)岷凸?jié)流，隨后進(jìn)入（2′→3′）膨脹腔，返流低壓氣體在CFHX（3′→4′）中同時(shí)進(jìn)行節(jié)流并對(duì)高壓氣體預(yù)冷，最后從出口孔流出。兩種試件各段具體尺寸參數(shù)如表1所示。

表1 制冷器的通道尺寸Table 1 Channel dimension of coolers

2 實(shí)驗(yàn)裝置

圖2 是開(kāi)式實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的示意圖，主要由高壓氣瓶、減壓閥、干燥過(guò)濾器、制冷器試件以及連接管道組成。添加保溫棉可以降低制冷器表面與環(huán)境的自然對(duì)流與輻射換熱，減少漏熱損失，能達(dá)到更低的冷端溫度，因此對(duì)制冷器及管道表面用保溫棉進(jìn)行保溫。具體流程為：工質(zhì)從高壓氣瓶流出，經(jīng)減壓閥調(diào)節(jié)至目標(biāo)壓力，通過(guò)干燥過(guò)濾器后進(jìn)入制冷器試件，最后經(jīng)管道排入環(huán)境。由T型熱電偶、質(zhì)量流量計(jì)、壓力傳感器和數(shù)據(jù)采集儀組成測(cè)量系統(tǒng)。在試件進(jìn)口管道布置質(zhì)量流量計(jì)、進(jìn)出口管道布置壓力傳感器、進(jìn)出口以及試件表面軸向布置熱電偶。實(shí)驗(yàn)所用熱電偶的精度為±0.2 K。兩試件結(jié)構(gòu)特點(diǎn)不同，為合理測(cè)量溫度，測(cè)點(diǎn)位置有所區(qū)別，如圖3所示。測(cè)點(diǎn)位置整理于表2。

表2 制冷器各溫度測(cè)點(diǎn)距進(jìn)口的軸向距離Table 2 Axial distance between temperature measuring points of coolers and inlet

2.1 實(shí)驗(yàn)步驟

本文選用的工質(zhì)為氬氣，工質(zhì)的初始溫度為環(huán)境溫度285.0 K。進(jìn)行實(shí)驗(yàn)前，首先對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行檢漏和保壓，確定系統(tǒng)無(wú)氣體泄漏。然后，打開(kāi)壓力傳感器及安捷倫34970A 電源，并設(shè)置采集通道，確保各測(cè)量設(shè)備讀數(shù)正常。實(shí)驗(yàn)時(shí)，打開(kāi)氣瓶閥門，旋轉(zhuǎn)減壓閥至實(shí)驗(yàn)工況數(shù)值，開(kāi)始實(shí)時(shí)采集數(shù)據(jù)，待各項(xiàng)數(shù)據(jù)穩(wěn)定后，保存溫度數(shù)據(jù)，同時(shí)記錄壓力和流量數(shù)值，完成一個(gè)工況的實(shí)驗(yàn)。進(jìn)行下一工況實(shí)驗(yàn)前，需等待一段時(shí)間，使試件溫度恢復(fù)至環(huán)境溫度。完成所有實(shí)驗(yàn)工況測(cè)試后，關(guān)閉氣瓶與各測(cè)量設(shè)備電源，實(shí)驗(yàn)結(jié)束。

圖2 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)示意圖Fig.2 Experimental system

圖3 兩種制冷器的溫度測(cè)點(diǎn)布置Fig.3 Layout of temperature measuring points of coolers

2.2 不確定度分析

實(shí)驗(yàn)所需的測(cè)量參數(shù)包括流量(M)，壓力(P)，溫度(T)，表3列出了測(cè)量元件的參數(shù)。

表3 傳感器量程及精度Table 3 Sensor range and precision

當(dāng)進(jìn)口工況高壓壓力表讀數(shù)2.02 MPa，低壓壓力表讀數(shù)0.10 MPa 時(shí)，壓降ΔP 的最大相對(duì)不確定度為：

當(dāng)逆流換熱段進(jìn)口溫差ΔTin=74.8 K，冷流體溫升ΔTc=65.7 K 時(shí)，冷流體溫度效率Ec的最大相對(duì)不確定度為：

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

本文對(duì)兩試件在2.02～5.20 MPa 進(jìn)口壓力范圍內(nèi)進(jìn)行降溫特性實(shí)驗(yàn)，各測(cè)點(diǎn)50 s 內(nèi)溫度變化小于0.3 K 時(shí)，視為溫度穩(wěn)定。圖4 為兩個(gè)壓力工況下兩種制冷器各測(cè)點(diǎn)的溫度時(shí)序圖，圖4(a)、(c)為試件一，圖4(b)、(d)為試件二。2.03 MPa 進(jìn)口壓力下，試件一的T2～Tout 測(cè)點(diǎn)在前400 s 溫度下降明顯較快，隨后溫降趨勢(shì)越來(lái)越平緩至1100 s 達(dá)到穩(wěn)定，最低溫度為255.5 K；壓力增加至4.03 MPa 時(shí)，相應(yīng)測(cè)點(diǎn)在前600 s 溫度下降較明顯，隨后溫降趨緩，至1400 s 達(dá)到穩(wěn)定，最低溫度為227.1 K?？梢钥闯觯?.03 MPa 進(jìn)口壓力下，試件一的穩(wěn)定時(shí)間相比2.03 MPa延長(zhǎng)了300 s，達(dá)到的最低溫度也更低。2.02 MPa 工況下，試件二的T2～Tout 測(cè)點(diǎn)在前200 s 溫度下降明顯，至550 s 溫度達(dá)到穩(wěn)定，最低溫度為248.5 K；當(dāng)壓力增加到3.90 MPa，T2～Tout測(cè)點(diǎn)在前1000 s溫度下降明顯，隨后溫降趨緩，至1150 s 達(dá)到最低溫度187.6 K。相近工況下，試件二達(dá)到穩(wěn)定的時(shí)間明顯快于試件一，且膨脹腔表面溫度更低。

圖4 不同進(jìn)口壓力下制冷器測(cè)點(diǎn)溫度變化Fig.4 Temperature of measuring points versus time under different inlet pressure

圖5為壓降和質(zhì)量流量隨設(shè)定工況的變化。由圖5(a)可見(jiàn)，兩試件的壓降均隨入口壓力的增大而增大，并且接近線性關(guān)系。試件二的壓降均大于試件一，這說(shuō)明工質(zhì)可利用的積分節(jié)流效應(yīng)更高，溫降能力更大，因此能達(dá)到更低的冷端溫度。從圖5(b)中可以看出，試件二穩(wěn)定時(shí)的質(zhì)量流量在不同工況下均不同程度大于試件一，且差值隨著進(jìn)口壓力的增大而增大。更大的質(zhì)量流量使試件二到達(dá)穩(wěn)定溫度的速度明顯更快。

兩試件所能達(dá)到的最低溫度(Tref)列于表4，隨著試件進(jìn)口壓力的增大，每種試件所能達(dá)到的頭部最低溫度越低。相同設(shè)定工況下，試件二的最低溫度總是明顯低于試件一。由于兩試件頭部最低溫度測(cè)點(diǎn)Tref 距離進(jìn)口Tin 的軸向距離均為150 mm，這說(shuō)明微針肋結(jié)構(gòu)相比大小槽道相搭配的回?zé)峁?jié)流結(jié)構(gòu)換熱和節(jié)流效果更好。

圖6 為2.02～5.20 MPa 壓力下，兩試件軸向各測(cè)點(diǎn)的穩(wěn)定溫度分布。在圖6(a)中，試件一各測(cè)點(diǎn)的穩(wěn)定溫度分布隨壓力的增大而降低，不同壓力下的軸向溫降規(guī)律類似。2.02～4.03 MPa 相鄰進(jìn)口壓力下，各測(cè)點(diǎn)整體溫度分布間距有擴(kuò)大的趨勢(shì)，但5.12 MPa和4.03 MPa工況之間的差異有所減小。原因可能是由于與環(huán)境溫差增大，試件表面與環(huán)境的輻射和對(duì)流換熱增大，寄生熱負(fù)荷增大。從軸向觀察，入口段(Tin～T2)長(zhǎng)度短，溫降相對(duì)于試件的總溫降很小。制冷器溫降主要來(lái)自于回?zé)岫魏凸?jié)流段，節(jié)流段溫降斜率明顯大于回?zé)岫危疫M(jìn)口壓力越大更加明顯，以5.12 MPa為例，回?zé)岫?105 mm)溫降為0.46 K/mm，節(jié)流段(40 mm)溫降則為0.61 K/mm。膨脹腔測(cè)點(diǎn)溫度Te略高于節(jié)流段出口測(cè)點(diǎn)溫度Tref，出口溫度Tout隨著入口壓力增加而略有減小。試件一進(jìn)出口溫差在3.0～9.1 K 之間，總溫降則為30.7～74.8 K。

圖5 兩種制冷器的壓降和質(zhì)量流量隨進(jìn)口壓力的變化Fig.5 Variation of the pressure drop and mass flow of the coolers with different inlet pressure

表4 兩試件所能達(dá)到的最低溫度Table 4 The lowest temperature that two kinds of coolers can reach

圖6(b)中，試件二各測(cè)點(diǎn)的穩(wěn)定溫度分布同樣隨進(jìn)口壓力的增大而降低，2.02～3.90 MPa 溫度分布差異有增大的趨勢(shì)，5.20 MPa 和3.90 MPa 工況間的溫度分布間距變小，原因同樣是寄生熱負(fù)荷增大。入口段(Tin～T2)溫降小，但溫降斜率較大，原因是從入口段至回?zé)峁?jié)流段，圓柱針肋間通道截面突縮，產(chǎn)生一定的節(jié)流效應(yīng)。繼續(xù)沿軸向觀察，回?zé)峁?jié)流段前段（T2～T5）的溫降斜率變化不明顯，有略微增大的趨勢(shì)?；?zé)岫魏蠖危═5～Tref）溫降明顯較前段小。膨脹腔測(cè)點(diǎn)溫度Te同樣略高于回?zé)岫纬隹跍y(cè)點(diǎn)溫度Tref。出口溫度Tout也隨著入口壓力的增加而略有減小。試件二進(jìn)出口溫差在3.1～10.4 K 之間，產(chǎn)生的總溫降為35.1～118.4 K。兩試件的進(jìn)出口溫差范圍相近，但試件二的總溫降明顯更大，說(shuō)明試件二印刷電路板式換熱器效果優(yōu)于試件一。以5 MPa 左右工況為例，試件二的冷流體溫度效率Ec(91%)高于試件一(87%)。

圖6 不同進(jìn)口壓力下兩試件測(cè)點(diǎn)溫度分布Fig.6 Temperature of each measuring point under different inlet pressures

基于以上現(xiàn)象，以試件一的5.12 MPa 工況和試件二的5.20 MPa 工況為例，計(jì)算分析兩試件高壓側(cè)流體實(shí)際過(guò)程壓力和焦湯系數(shù)的變化，見(jiàn)圖7。由于入口段流道較大，壓降很小，故可以忽略。氬氣的焦湯系數(shù)在不同溫度、壓力下變化較大。一個(gè)確定的壓力下，僅有一個(gè)溫度，使氬氣在該溫度下，焦湯系數(shù)最大，將各壓力下焦湯系數(shù)最大的點(diǎn)連成一條線命名為理想曲線，若工質(zhì)實(shí)際制冷過(guò)程沿著此線運(yùn)動(dòng)，將會(huì)有最好的制冷效果。實(shí)際曲線1 和實(shí)際曲線2分別代表試件一和二高壓側(cè)流體實(shí)際過(guò)程焦湯系數(shù)的變化?？梢钥闯鰧?shí)際曲線與理想曲線存在差距。

圖7 兩種制冷器焦湯系數(shù)變化曲線Fig.7 Variation of the J-T coefficient with temperature and pressure

試件一在5.12 MPa 工況時(shí)的具體過(guò)程放大圖見(jiàn)圖8?；?zé)釗Q熱段Re 約為12000、節(jié)流段Re 約為52000，都屬于湍流。在回?zé)岫魏凸?jié)流段，根據(jù)沿程壓降公式：

其中，針對(duì)試件一5.12 MPa 進(jìn)口壓力的Re 范圍，通過(guò)選取吻合度較高的關(guān)聯(lián)式，并綜合考慮具體形狀尺寸、工質(zhì)物性等因素，最終選取摩擦阻力系數(shù)f[22]:

式中，ρ為工質(zhì)密度；u為速度；Δl為通道長(zhǎng)度；D為水力直徑；并由物性查詢軟件得到工質(zhì)在各測(cè)點(diǎn)的密度、運(yùn)動(dòng)黏度等參數(shù)，估算出高壓側(cè)流體的沿程阻力；從回?zé)岫芜M(jìn)入節(jié)流段以及節(jié)流段進(jìn)入膨脹腔的過(guò)程，由于截面積突變，會(huì)產(chǎn)生一定的壓降或少量壓升，根據(jù)式(5)[23]估算：

式中，G為質(zhì)量流速；K 為收縮阻力系數(shù)；σ為通道自由流通面積與橫截面積之比。最終估算定位出各測(cè)點(diǎn)在焦湯系數(shù)曲線圖中的位置。由圖8 可見(jiàn)，由于回?zé)岫?T2～T5)的當(dāng)量直徑463 μm，產(chǎn)生的壓降很小，僅為0.02 MPa；節(jié)流段通道截面很小(當(dāng)量直徑120 μm)，通道長(zhǎng)度短，產(chǎn)生的壓降（包括面積突縮）很大，達(dá)到2.98 MPa；節(jié)流段進(jìn)入膨脹腔的過(guò)程壓力升高0.01 MPa，因此Tref 至Te 的溫升一方面是由于工質(zhì)從回?zé)釗Q熱段進(jìn)入膨脹腔過(guò)程中擴(kuò)張壓增大，速度減?。涣硪环矫媸怯捎谂蛎浨慌c環(huán)境接觸面積更大，寄生熱負(fù)荷略有增大。在回?zé)岫?，焦湯系?shù)相對(duì)較?。坏焦?jié)流段，焦湯系數(shù)的數(shù)值較大且增長(zhǎng)較快，節(jié)流效應(yīng)顯著；因此回?zé)釗Q熱段的溫降主要來(lái)源于回?zé)釗Q熱，節(jié)流段溫降主要來(lái)自于節(jié)流降溫效應(yīng)和部分換熱，節(jié)流段的溫降要明顯快于回?zé)釗Q熱段。

圖8 試件一高壓側(cè)流體實(shí)際過(guò)程焦湯系數(shù)變化Fig.8 Variation of the high-pressure-fluid J-T coefficient of Cooler 1 with temperature and pressure

試件二在5.20 MPa 工況下的具體放大過(guò)程圖見(jiàn)圖9?；?zé)峁?jié)流段Re 約為18000，同樣根據(jù)壓降公式式(3)和式(5)估算出高壓側(cè)流體的沿程阻力以及回?zé)峁?jié)流段至膨脹腔的壓升，并定位出各測(cè)點(diǎn)的位置。其中，適用于該Re的氣體阻力系數(shù)關(guān)聯(lián)式較少，且計(jì)算差異較大，同時(shí)考慮Sl、St等具體形狀尺寸對(duì)試件的影響，選取的摩擦阻力系數(shù)為[24]:

圖9 試件二高壓側(cè)流體實(shí)際過(guò)程焦湯系數(shù)變化Fig.9 Variation of the high-pressure-fluid J-T coefficient of Cooler 2 with temperature and pressure

式中，Sl,St分別為柱群的橫縱向間距(0.65 mm和0.7 mm)；Lh為 圓 柱 高 度(0.3 mm)；d 為 直 徑(0.3 mm)。回?zé)峁?jié)流段圓柱針肋間通道尺寸較小，工質(zhì)在CFHX 中產(chǎn)生一定的壓降，由于測(cè)點(diǎn)分布均勻，各測(cè)點(diǎn)間壓降相近，但略有增長(zhǎng)(0.66～0.87 MPa)；回?zé)釗Q熱段進(jìn)入膨脹腔的壓升約為0.01 MPa。焦湯系數(shù)在整個(gè)回?zé)岫坞S著溫度和壓力的降低而增大，且增長(zhǎng)速度變快，因此前段(T2～T5)溫降斜率有略微增大的趨勢(shì)；后段(T5～Tref)焦湯系數(shù)同樣較高，但溫降斜率卻趨緩。Tref～Te 的溫升同樣是由于工質(zhì)從回?zé)釗Q熱段進(jìn)入膨脹腔過(guò)程中擴(kuò)張壓增大，速度減小?；?zé)岫魏蠖?T5～Tref)溫降趨緩的原因可能有兩方面，一方面，前段測(cè)點(diǎn)溫度依次降低，熱量通過(guò)軸向?qū)釓那跋蚝笠来蝹鬟f，同時(shí)膨脹腔處溫度Te高于Tref，由于材料軸向?qū)幔昂髢蓚?cè)熱量均導(dǎo)入Tref處，該因素有導(dǎo)致Tref 處溫降減小的可能；另一方面，隨著制冷器測(cè)點(diǎn)位置后移，各測(cè)點(diǎn)間溫度依次降低，與環(huán)境間溫差隨之增大，制冷器表面與環(huán)境的對(duì)流和輻射換熱量都隨測(cè)點(diǎn)后移逐漸增多，即回?zé)釗Q熱段后段產(chǎn)生的漏熱損失最大。以上分析可以看出，回?zé)峁?jié)流段的降溫同時(shí)來(lái)源于節(jié)流降溫效應(yīng)和高低壓流體的換熱。由于印刷電路板式節(jié)流制冷器微通道結(jié)構(gòu)、設(shè)計(jì)流程形式的不同，試件二沿程壓降和焦湯系數(shù)的變化特點(diǎn)與試件一區(qū)別顯著。

結(jié)合以上分析，從圖7 宏觀來(lái)看，為了充分利用節(jié)流制冷效應(yīng)，實(shí)現(xiàn)制冷過(guò)程的優(yōu)化，可在制冷系統(tǒng)中加設(shè)預(yù)冷裝置（如半導(dǎo)體制冷片[25]、自復(fù)疊制冷機(jī)[26]等），使制冷器實(shí)際焦湯系數(shù)變化過(guò)程的起點(diǎn)向a 方向平移；在向a 方向平移的基礎(chǔ)上，可改變制冷器的結(jié)構(gòu)，優(yōu)化沿程壓降分布，使制冷過(guò)程向理想曲線的斜率發(fā)展。對(duì)于試件一，可以采用設(shè)置多級(jí)節(jié)流、增加節(jié)流段長(zhǎng)度、減小其當(dāng)量直徑等方式；對(duì)于試件二，可優(yōu)化圓柱的高徑比、加密圓柱群等。

4 結(jié) 論

將印刷電路板工藝應(yīng)用于微通道節(jié)流制冷器，實(shí)現(xiàn)多通道并行。設(shè)計(jì)制造出兩種通道結(jié)構(gòu)不同的印刷電路板式微通道節(jié)流制冷器以實(shí)現(xiàn)不同的回?zé)岷凸?jié)流方式。在2.02～5.20 MPa 的入口壓力范圍內(nèi)進(jìn)行制冷器的性能實(shí)驗(yàn)，得出以下結(jié)論。

圖10 制冷器熱力過(guò)程示意圖Fig.10 Thermodynamic process of the coolers

（1）微圓柱針肋結(jié)構(gòu)的制冷器達(dá)到穩(wěn)定溫度的時(shí)間明顯快于微槽道結(jié)構(gòu)的制冷器，原因是質(zhì)量流量更大。隨著進(jìn)口壓力從2.03 MPa 升高至5.12 MPa，微槽道結(jié)構(gòu)的制冷器的質(zhì)量流量從1.38 g/s 增加到4.52 g/s，壓降由1.78 MPa 增大到4.31 MPa。在5.12 MPa 下，最低溫度為210.9 K；微針肋結(jié)構(gòu)的制冷器的進(jìn)口壓力由2.02 MPa 升高至5.20 MPa 時(shí)，質(zhì)量 流 量 為1.68～8.70 g/s，壓 降1.92～4.40 MPa。在5.20 MPa下，最低溫度可達(dá)165.2 K。

（2）兩種制冷器的溫降規(guī)律不同。由于大小微槽道相搭配，前段以回?zé)釗Q熱為主，后段主要產(chǎn)生節(jié)流降溫效應(yīng)，微槽道結(jié)構(gòu)制冷器的節(jié)流段溫降斜率明顯大于回?zé)釗Q熱段；微針肋結(jié)構(gòu)的制冷器回?zé)岷凸?jié)流并行發(fā)生，回?zé)岫吻岸螠亟敌甭视新晕⒃龃蟮内厔?shì)，由于軸向?qū)岷图纳鸁嶝?fù)荷的存在，回?zé)岫魏蠖螠亟敌甭事杂袦p小。

（3）通過(guò)關(guān)聯(lián)式估算，微槽道制冷器的壓降集中于高壓板片的節(jié)流段，高低壓板片的回?zé)岫螇航岛苄。蛎浨坏膲毫^低；微針肋結(jié)構(gòu)的制冷器高低壓板片的壓降較為接近，膨脹腔的壓力相對(duì)較高。

微圓柱針肋制冷器具有明顯更優(yōu)的溫降效果，是流量、壓降、換熱、熱力過(guò)程相互影響的綜合結(jié)果。隨著微通道技術(shù)在氣體節(jié)流領(lǐng)域的應(yīng)用越來(lái)越多，換熱過(guò)程中伴隨顯著節(jié)流效應(yīng)越來(lái)越普遍，本文兩試件對(duì)比實(shí)驗(yàn)研究可為今后此類問(wèn)題的研究、設(shè)計(jì)與應(yīng)用提供參考。

符 號(hào) 說(shuō) 明

D——水力直徑，m

d——直徑，mm

Ec——冷流體溫度效率，℃

f——達(dá)西阻力系數(shù)

G——質(zhì)量流速，kg/(m2·s)

K——收縮阻力系數(shù)

Lh——圓柱高度，mm

Δl——通道長(zhǎng)度，m

Sl,St——分別為柱群的橫、縱向間距，mm

Te——膨脹腔頂端溫度，℃

Tin——進(jìn)口溫度，℃

Tout——出口溫度，℃

Tref——節(jié)流段出口代表的試件最低溫度，℃

u——速度，m/s

ρ——工質(zhì)密度，kg/m3

σ——通道自由流通面積與橫截面積之比

下角標(biāo)

c——冷流體