曹海山 孟慶航 童 欣 劉碧強(qiáng) 王曉濤

(1 清華大學(xué)能源與動(dòng)力工程系 北京 100084；2 昆明物理研究所 昆明 650223；3 中國(guó)科學(xué)院理化技術(shù)研究所 北京 100190)

很多電子器件在低溫環(huán)境下工作都具有更優(yōu)的性能，例如在低溫環(huán)境下應(yīng)用于航空航天的紅外探測(cè)器具有更高的靈敏度、射電望遠(yuǎn)鏡中的低噪音放大器具有更高的信噪比、移動(dòng)通信系統(tǒng)中的濾波器有更大的帶寬。此外，對(duì)于超導(dǎo)體電子器件而言，目前只有在低溫環(huán)境下才能正常工作。該類(lèi)低溫電子器件通常不僅尺寸較小，而且在運(yùn)行時(shí)釋放的熱量也很少，一般在幾毫瓦至幾百毫瓦范圍內(nèi)。若要實(shí)現(xiàn)該類(lèi)低溫電子器件的有效匹配制冷，則需要研發(fā)與其在尺寸和制冷量?jī)煞矫婢嗥ヅ涞奈⑿⌒偷蜏刂评錂C(jī)。微型節(jié)流制冷機(jī)誕生于該應(yīng)用背景下，因具有結(jié)構(gòu)緊湊、無(wú)振動(dòng)、無(wú)電磁干擾且可與被冷卻電子器件實(shí)現(xiàn)完美耦合等優(yōu)點(diǎn)，在低溫制冷領(lǐng)域受到越來(lái)越多的關(guān)注[1]。

洪朝生[2]曾指出：“制冷技術(shù)小型化應(yīng)用在科學(xué)儀器、醫(yī)學(xué)設(shè)備、電磁探測(cè)等方面雖已有了一定的發(fā)展，但拓寬應(yīng)用領(lǐng)域則受到小型制冷技術(shù)落后的牽制?！苯陙?lái)關(guān)于節(jié)流制冷機(jī)微型化的研究雖有較大進(jìn)展，但微型節(jié)流制冷機(jī)的廣泛應(yīng)用仍面臨許多挑戰(zhàn)，其中之一就是如何提供該類(lèi)型制冷機(jī)運(yùn)行時(shí)所需要的高壓氣源。現(xiàn)階段，純工質(zhì)微型節(jié)流制冷機(jī)所需要的高壓氣源還主要依靠體積相對(duì)龐大的氣瓶提供。該開(kāi)式制冷系統(tǒng)整體體積龐大，在很大程度上限制了微型節(jié)流制冷機(jī)的大規(guī)模應(yīng)用。

為了拓展微型節(jié)流制冷的應(yīng)用領(lǐng)域，緊湊的閉式節(jié)流制冷系統(tǒng)受到越來(lái)越多的關(guān)注。王昂等[3]利用油潤(rùn)滑轉(zhuǎn)子式微型壓縮機(jī)驅(qū)動(dòng)工質(zhì)為氮?dú)?甲烷/乙烷/丙烷/丁烷/戊烷六元混合物的微型節(jié)流制冷機(jī)，該制冷機(jī)的微通道換熱器通過(guò)3D打印技術(shù)制作，實(shí)現(xiàn)了0.1 MPa至1.6～1.7 MPa的壓比，獲得了230 K的冷端溫度。但由于微型節(jié)流制冷機(jī)的質(zhì)量流量未達(dá)到預(yù)期值、換熱器效率低等原因，冷端溫度高于六元混合物在0.1 MPa的泡點(diǎn)溫度。此外，油潤(rùn)滑微型壓縮機(jī)也仍存在諸多問(wèn)題。首先，壓縮機(jī)中的潤(rùn)滑油與混合工質(zhì)的選擇性溶解造成了制冷機(jī)運(yùn)行時(shí)混合工質(zhì)的摩爾濃度變化[4-5]，從而影響制冷機(jī)的運(yùn)行效果[6]；其次，低溫條件下潤(rùn)滑油的凝固會(huì)造成節(jié)流閥阻塞，也縮短了制冷機(jī)的運(yùn)行時(shí)間[7]。

因潤(rùn)滑油的不利影響，國(guó)內(nèi)外開(kāi)展了對(duì)無(wú)油機(jī)械式壓縮機(jī)的研究，如壓電壓縮機(jī)[8-11]、線(xiàn)性壓縮機(jī)[12-15]、渦旋壓縮機(jī)[16-18]?，F(xiàn)階段壓電壓縮機(jī)尚處于研究階段，由于受到隔膜性能的限制，實(shí)現(xiàn)可靠性高的壓電壓縮機(jī)還存在困難，目前鮮有壓電壓縮機(jī)驅(qū)動(dòng)的節(jié)流制冷系統(tǒng)的文獻(xiàn)報(bào)道。相比壓電壓縮機(jī)，線(xiàn)性壓縮機(jī)和渦旋壓縮機(jī)的發(fā)展相對(duì)成熟。R.Lewis等[19-20]通過(guò)單向閥將斯特林制冷壓縮機(jī)改裝，用于驅(qū)動(dòng)工質(zhì)為甲烷/乙烷/乙烯/異丁烷/異己烷五元混合物的微型節(jié)流制冷機(jī)，該制冷機(jī)通過(guò)微機(jī)電系統(tǒng)(micro-electro-mechanical system, MEMS)技術(shù)和傳統(tǒng)加工技術(shù)相結(jié)合的方式制作，實(shí)現(xiàn)了0.1 MPa至0.4 MPa的壓比，獲得了200 K的冷端溫度。P.Champagne等[11]通過(guò)單向閥將脈沖管制冷壓縮機(jī)改裝，用于驅(qū)動(dòng)混合工質(zhì)節(jié)流制冷機(jī)。在壓縮機(jī)性能測(cè)試階段，該壓縮機(jī)可將氮?dú)庥?.34 MPa 壓縮至2.41 MPa，初步熱力學(xué)分析表明，該壓縮機(jī)可用于驅(qū)動(dòng)混合工質(zhì)實(shí)現(xiàn)150 K的制冷溫度，并可獲得與斯特林或脈沖管制冷機(jī)相當(dāng)?shù)男蔥21]。J.H.Derking等[12]采用線(xiàn)性壓縮機(jī)驅(qū)動(dòng)工質(zhì)為甲烷/乙烷/異丁烷三元混合物的微型節(jié)流制冷機(jī)，該制冷機(jī)的整機(jī)(包括換熱器、節(jié)流閥和蒸發(fā)器)通過(guò)MEMS技術(shù)制作，實(shí)現(xiàn)了0.13 MPa至0.94 MPa的壓比，該微型節(jié)流制冷機(jī)的質(zhì)量流量為1.35 mg/s，可降溫至130 K，在150 K時(shí)的冷量為46 mW。劉少帥等[14]采用單向閥組與線(xiàn)性壓縮機(jī)結(jié)合，用于驅(qū)動(dòng)預(yù)冷型液氦溫區(qū)節(jié)流制冷機(jī)。在穩(wěn)定工況下，壓縮機(jī)進(jìn)出口壓力分別為0.07 MPa和0.26 MPa，輸入功率為34 W，在約10 K預(yù)冷溫度條件下，制冷機(jī)的質(zhì)量流量為5.8 mg/s，并在4.09 K獲得了10.8 mW的制冷量。Shen Yunwei等[16]采用無(wú)油浮動(dòng)渦旋壓縮機(jī)驅(qū)動(dòng)預(yù)冷型液氦溫區(qū)節(jié)流制冷機(jī)，該壓縮機(jī)可在9.61的壓比下穩(wěn)定工作，其所驅(qū)動(dòng)的節(jié)流制冷機(jī)在預(yù)冷溫度為18 K條件下可以在4.5 K獲得23.9 mW制冷量，驗(yàn)證了無(wú)油浮動(dòng)渦旋壓縮機(jī)驅(qū)動(dòng)節(jié)流制冷機(jī)的可行性。

本文將Hampson型微型節(jié)流制冷機(jī)與線(xiàn)性壓縮機(jī)相集成，形成閉式低溫節(jié)流制冷系統(tǒng)，工質(zhì)采用摩爾濃度為39%甲烷/20%乙烷/41%異丁烷三元混合物[12]，研究制冷機(jī)在不同工況條件下的降溫性能。

1 制冷機(jī)測(cè)試系統(tǒng)

圖1所示為基于多元混合工質(zhì)的閉式節(jié)流制冷機(jī)的性能測(cè)試系統(tǒng)。該系統(tǒng)主要包括三個(gè)部分：制冷系統(tǒng)、測(cè)量系統(tǒng)以及真空系統(tǒng)。制冷系統(tǒng)主要由微型節(jié)流制冷機(jī)、壓縮機(jī)、后冷卻器和過(guò)濾器等組成；測(cè)量系統(tǒng)主要由質(zhì)量流量計(jì)、壓力傳感器、溫度傳感器和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)等組成，其中質(zhì)量流量計(jì)誤差為±0.2 mg/s，高低壓側(cè)的壓力傳感器誤差分別為±0.02 MPa和±0.002 MPa，溫度傳感器(Pt1000)誤差為±1 K；真空系統(tǒng)主要由真空腔體(真空壓力<1×10-4Pa)、真空分子泵和真空計(jì)等組成。

圖1 閉式低溫節(jié)流制冷機(jī)性能測(cè)量裝置

該系統(tǒng)的高壓氣體由水冷式串聯(lián)線(xiàn)性壓縮機(jī)組提供，經(jīng)過(guò)濾器后高壓氣體中的水分摩爾濃度降至1×10-9～1×10-6級(jí)。然后，高壓氣體流經(jīng)置于真空腔體中的微型制冷機(jī)，發(fā)生節(jié)流過(guò)程并以低壓狀態(tài)流出微型制冷機(jī)，最終經(jīng)質(zhì)量流量計(jì)后返回壓縮機(jī)，完成整個(gè)循環(huán)。水冷式串聯(lián)線(xiàn)性壓縮機(jī)組如圖2所示，該機(jī)組由兩臺(tái)壓縮機(jī)和兩臺(tái)水冷后冷卻器組成，混合工質(zhì)由制冷機(jī)性能測(cè)量裝置低壓側(cè)管路進(jìn)口進(jìn)入壓縮機(jī)組，依次經(jīng)過(guò)壓縮機(jī)I、后冷卻器I、壓縮機(jī)II和后冷卻器II，經(jīng)出口流出進(jìn)入制冷機(jī)性能測(cè)量裝置高壓側(cè)管路。壓縮機(jī)采用Wisemotion線(xiàn)性壓縮機(jī)，尺寸為160 mm×310 mm × 115 mm，質(zhì)量為5.3 kg，Wisemotion線(xiàn)性壓縮機(jī)無(wú)需潤(rùn)滑油，而是利用制冷劑實(shí)現(xiàn)冷卻和潤(rùn)滑系統(tǒng)中摩擦點(diǎn)的作用。相比有油壓縮機(jī)，無(wú)油線(xiàn)性壓縮機(jī)避免了因潤(rùn)滑油而造成的混合工質(zhì)濃度變化和節(jié)流閥阻塞問(wèn)題。壓縮機(jī)采用可編程交流變頻電源驅(qū)動(dòng)，電源的輸出電壓、頻率和電流誤差分別為±0.01 V、±0.01 Hz和±0.001 A。水冷后冷卻器采用板式換熱器，該板式換熱器由6層換熱片構(gòu)成，總傳熱面積為0.06 m2。

混合工質(zhì)路徑； 冷卻水路徑

微型節(jié)流制冷機(jī)采用不銹鋼材質(zhì)Hampson型JT制冷機(jī)(如圖3所示)[22]，該制冷機(jī)的結(jié)構(gòu)尺寸如下：內(nèi)芯筒，內(nèi)徑8.6 mm，外徑8.9 mm；肋片管，光管外徑0.5 mm，內(nèi)徑0.3 mm，肋片高度0.25 mm，肋片厚度0.1 mm，肋間距0.12 mm，長(zhǎng)度2 m；節(jié)流孔，內(nèi)徑0.10～0.15 mm，外徑1.0 mm，長(zhǎng)度0.3 mm；殼體，內(nèi)徑11.4 mm，外徑12.0 mm。

圖3 Hampson型JT制冷機(jī)

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

表1 水冷式串聯(lián)線(xiàn)性壓縮機(jī)組運(yùn)行參數(shù)

圖4 工況I和工況II條件下制冷機(jī)性能

圖5 工況III和工況IV條件下制冷機(jī)性能

3 結(jié)論

本文研究了一種由微型節(jié)流制冷機(jī)和線(xiàn)性壓縮機(jī)組成的閉式制冷系統(tǒng)。該系統(tǒng)采用摩爾濃度為39%甲烷/20%乙烷/41%異丁烷的混合物作為工質(zhì)，在不同壓力工況下運(yùn)行。實(shí)驗(yàn)研究了制冷機(jī)在不同工況條件下的降溫性能，得到如下結(jié)論：

1)制冷機(jī)在0.10～1.77 MPa和0.14～1.90 MPa壓力條件下均可實(shí)現(xiàn)165 K的制冷溫度，在0.36～1.73 MPa和0.18～1.36 MPa壓力下運(yùn)行均可實(shí)現(xiàn)198 K的制冷溫度，但實(shí)現(xiàn)相同制冷溫度的等溫壓縮效率不同，即在給定微型節(jié)流制冷機(jī)的條件下，可通過(guò)調(diào)節(jié)兩壓縮機(jī)的頻率優(yōu)化水冷式串聯(lián)線(xiàn)性壓縮機(jī)組的壓縮效率。

2)165 K和198 K的制冷溫度均未達(dá)到該混合物運(yùn)行工況下低壓側(cè)的泡點(diǎn)溫度，可能的原因包括：(1)制冷機(jī)的換熱器效率不足；(2)混合工質(zhì)的循環(huán)組分與充注組分存在差異；(3)總制冷量不足，漏熱損失過(guò)大。后續(xù)工作將圍繞上述三點(diǎn)開(kāi)展。

本研究成果將有助于發(fā)展成熟的閉式微型低溫制冷技術(shù)，助力低溫電子器件在眾多前沿科技領(lǐng)域的應(yīng)用。