童 欣,李家鵬,邱 杰,夏 明,槐 陽,謝坤圓,陳俊元
〈制冷技術(shù)〉
芯片級節(jié)流制冷器流動特性數(shù)值計算及制冷性能實驗研究
童 欣,李家鵬,邱 杰,夏 明,槐 陽,謝坤圓,陳俊元
(昆明物理研究所,云南 昆明 650223)
芯片級節(jié)流制冷器(簡稱MMR)是一種采用微加工工藝制成的新型節(jié)流制冷器,其軸向尺寸大幅短于傳統(tǒng)節(jié)流制冷器,能夠顯著降低與之適配的紅外探測器體積。為研究MMR的工作特性,建立了適用于高壓力工況下氣體物性沿流動方向顯著變化的微槽道流動計算模型,該模型與實驗驗證結(jié)果符合良好。進一步在流動模型的基礎上增加了微槽道換熱、制冷器槽道分布和外形尺寸計算。根據(jù)計算模型制造了MMR樣機并對其進行了實驗研究,樣機流量實驗數(shù)據(jù)與計算模型符合良好。該樣機在10 MPa的氮氣和氬氣工況下分別達到了110 K、119 K的制冷溫度,制冷量分別為231 mW、479 mW,降溫時間分別為250 s、70 s優(yōu)于國外MMR性能,并且能夠滿足紅外探測器對于節(jié)流制冷器的制冷性能需求。
芯片級節(jié)流制冷器;微尺度流動;計算模型;制冷性能
芯片級節(jié)流制冷器(micro miniature refrigerator,MMR)是一種采用光刻刻蝕等微加工工藝制造的新型節(jié)流制冷器,其尺寸顯著小于常規(guī)節(jié)流制冷器[1]。MMR最早于1978年由美國斯坦福的Little W. A.教授提出[2],其原理是在硅片上加工出微小的換熱器槽道以及節(jié)流槽道,再將若干硅片進行密封連接,形成節(jié)流制冷器[3]。MMR尺寸微小、便于集成,目前多家公司已實現(xiàn)其在紅外探測器中的應用。例如美國Raytheon公司成功將MMR應用于紅外探測器冷卻[4]。該MMR使用硅制成,實現(xiàn)了10s內(nèi)快速制冷。法國L’Air Liquid公司將MMR的設計理念與肋片管型節(jié)流制冷器相結(jié)合,提出了將毛細管螺旋纏繞并放置在MMR槽道中的制冷器結(jié)構(gòu)[5]。美國Lockheed Martin公司設計了完整的采用MMR的紅外探測器[6]。該制冷器為雙工質(zhì)兩級MMR,預冷級采用R23,制冷級采用氬氣,大幅減小了探測器整體尺寸。
綜上所述,芯片級節(jié)流制冷器MMR已經(jīng)在紅外探測器領域得到了應用。然而,目前關(guān)于MMR微槽道流動機理以及工作特性的研究仍相對缺乏。因此對MMR中微尺度流動特性進行了研究,建立了描述MMR換熱器和節(jié)流段中流體流動和換熱特性的計算模型,在此基礎上得到了MMR樣機并對其進行了實驗研究。
MMR內(nèi)部流動和換熱槽道尺寸微小,目前國際上雖然已有較多針對微尺寸流動的研究,然而大部分研究均未涉及MMR的高壓工況(MMR通常工作在≥10MPa的工作壓力下)。例如Beskok A.等人對克努森數(shù)<0.3的微槽道流動中的氣體流動進行了數(shù)值計算和實驗研究[7],但該研究中最高的進氣壓力工況為0.35 MPa,壓力低氣體流速慢,與MMR微槽道中的流動工況差距較大。
Berg H. R.等人在N-S方程的基礎上提出了理論攝動解的求解方法[8],該方法未考慮氣體的稀薄特性,也僅適用于低馬赫數(shù)工況。進一步Harley J. C.等人在Berg H. R.研究基礎上由一維計算方法拓展為了二維計算方法,并考慮了壁面滑移特性的影響,得到了無限大平板之間的二維近似流場[9]。然而該計算方法僅適用于求解低馬赫數(shù)工況下的近似解,不適用于高壓力工況下的微槽道流動計算。
Tae W. K.等人對直徑為1~100mm的微圓管及在0.001~0.1范圍內(nèi)的微尺度流動進行了數(shù)值計算研究[10],得到了微通道管內(nèi)的流場分布情況。Stephen E. T.等人對微通道中的壓力分布情況以及其他重要流動參數(shù)進行了實驗研究[11],并根據(jù)實驗測試的壓力分布情況對流道中的克努森數(shù)、馬赫數(shù)、以及摩擦系數(shù)進行了計算。計算結(jié)果與Arkilic E. B.等人提出的微通道計算模型符合良好[12]。然而以上研究均基于流體壓力較低的工況(最高進口壓力為0.3MPa),無法真實反應MMR微槽道流動情況。
作為一種節(jié)流制冷器,MMR需工作在高壓力工況下,其微流道中存在著很高的溫度和壓力梯度,以及顯著的物性變化,常規(guī)基于流體流或雷諾數(shù)Re的流動計算方法不再適用于MMR的流動計算。為了更加準確地研究MMR微槽道的流動特性,提出了一種將流體物性顯著變化的流動問題離散為眾多不可壓縮、定物性問題以進行求解的方法。該方法將MMR內(nèi)部流動簡化為一維流動,采用Matlab編程并利用NIST物性數(shù)據(jù)庫查取離散微元段物性,在計算過程中對微元段的控制方程進行不斷修正,最終得到沿流動方向的流場分布。
將MMR內(nèi)部流動簡化為一維流動,則動量方程中的粘性力項也可簡化為用流動方向剪切力表示,控制方程可表示為:
式中:為流體密度,kg·m-3;為流體速度,m·s-1;為流體切應力,Pa;為流體焓值,kJ·kg-1;為流體壓力:Pa;為流體溫度,K;為流體導熱系數(shù),W·m-1·K-1。
對以上控制方程進行離散化,具體方法為:
①將長為的一維流動管路離散化為足夠多的微元d段;
②在每個d段內(nèi)可認為工質(zhì)物性不變;
③毛細管內(nèi)徑較小,流動以層流為主。
在微元d內(nèi),剪切力可用達西摩擦系數(shù)進行計算:
摩擦因子可參考Little W. A.提出的MMR微槽道流動摩擦因子經(jīng)驗公式[13]:
因MMR流道尺寸微小,工質(zhì)氣體在流動過程中壓力變化顯著,因此即使沒有外部換熱流體工質(zhì)的溫度也會隨著流動發(fā)生變化,此現(xiàn)象稱為分布節(jié)流效應,因此需在公式(3)能量方程計算時引入焦湯系數(shù):
d=pd+JTpd(6)
式中:JT為絕熱焦湯系數(shù),K·MPa-1;p為定壓比熱容,J·kg-1·K-1。。
在目前多數(shù)流體計算研究中均將能量方程中d的求解簡化為d=pd,即流體焓值僅為溫度的函數(shù),在一定程度上簡化了計算,卻忽略了壓力變化對焓值的影響。在引入焦湯系數(shù)后能夠相對簡便地對分布節(jié)流效應進行計算,絕熱焦湯系數(shù)JT也可在NIST物性數(shù)據(jù)庫中查取。
利用Matlab將以上控制方程進行聯(lián)立,不同微元d之間工質(zhì)密度以及粘度均會隨著微元段壓力和溫度的變化而變化,該物性變化由Matlab調(diào)用NIST物性數(shù)據(jù)庫查取,并參與下一微元段迭代。
上節(jié)所述的離散化方法以及控制方程能夠?qū)σ欢伍L度流道內(nèi)的流場進行計算,然而MMR由高壓換熱器、節(jié)流段、蒸發(fā)腔以及低壓換熱器構(gòu)成,因此還需要對MMR的節(jié)流特性、換熱特性進行計算。
1.3.1 節(jié)流特性計算
MMR的節(jié)流段是與高壓換熱器出口處相連的一段微槽道,其流通直徑顯著低于高壓換熱器從而對工質(zhì)進行節(jié)流降壓,節(jié)流段的控制方程仍可采用式(1)~(3)進行計算,然而在節(jié)流段入口處存在局部壓力損失,如圖1所示。
圖1 節(jié)流毛細管進口
Fig 1 Throttling capillary inlet
為進行該局部損失的計算,在節(jié)流毛細管進口微元段d內(nèi)進行如下簡化:
①局部損失主要是由于流通面積突變導致,因此忽略微元段d內(nèi)摩擦力的影響;
②流體溫度沿流動方向應連續(xù)因此忽略圖1中d微元內(nèi)溫度的變化,毛細管進口處的溫度與換熱器出口溫度相等即T=1,此微元之后的溫度將繼續(xù)采用能量方程進行計算;
③忽略微元段d內(nèi)密度的變化。
因此在節(jié)流入口微元d內(nèi)動量方程簡化為:
沿流動方向積分即得到伯努利方程:
式中:loss為水頭損失,m。
根據(jù)連續(xù)性方程:
111=222(9)
式中:為流通面積,m2。
得到局部水頭損失loss:
將水頭損失轉(zhuǎn)化為壓力損失,使用節(jié)流段進口處前一微元的物性進行表示如下:
式中:為比例系數(shù)。
通過以上對節(jié)流入口微元段d的特殊處理即可對高壓換熱器毛細管段以及節(jié)流段的控制方程進行整合,假設節(jié)流段進口微元段序號為,則:
將高壓換熱器段和節(jié)流段整合后即可根據(jù)入口邊界條件得到換熱器與節(jié)流段的流場分布,然而在實際計算中還需對得到的計算數(shù)據(jù)進行修正迭代。根據(jù)節(jié)流制冷器工作特性,流體在MMR節(jié)流元件中一定會達到當?shù)匾羲伲ó數(shù)匾羲俪霈F(xiàn)位置位于節(jié)流元件中部某處,或節(jié)流元件出口處)。流體達到當?shù)匾羲俚呐袛鄺l件為:
式中:S為到達當?shù)匾羲贂r的流體壓力,Pa;0為節(jié)流元件入口的流體壓力,Pa;為流體定壓比熱與定容比熱之比。
因此可采用音速流量公式進行修正:
式中:m為質(zhì)量流量,kg·s-1;d為毛細管流出系數(shù);為到達當?shù)匾羲贂r的流體壓力,Pa;為到達當?shù)匾羲贂r的流體密度,kg·m-3。
因此節(jié)流元件流動特性的計算過程為:
①設定高壓換熱器和節(jié)流元件幾何參數(shù)以及換熱器進口邊界條件,設定參考流量m0;
②利用參考流量進行微通道流動計算,計算時考慮可壓縮以及流道節(jié)流效應對流動特性的影響;
③節(jié)流段入口的計算采用公式(11)對壓力進行修正,在節(jié)流段的流動計算中使用公式(13)監(jiān)測微元的壓力是否達到滯止壓力。若達到滯止壓力則流體壓力不再改變,若未達到滯止壓力則繼續(xù)計算;
④根據(jù)計算得到的滯止壓力使用公式(14)進行流量計算得到m1,若節(jié)流段始終未達到滯止壓力則將出口壓力當作滯止壓力進行流量計算;
⑤對比m0與m1偏差是否<0.5%,若是則停止計算,輸出換熱器和節(jié)流段沿流動方向的流場數(shù)據(jù);若否則將m1賦值到m0繼續(xù)進行迭代直到收斂。
1.3.2 計算實驗驗證
為了驗證以上提出的微通道節(jié)流計算模型,現(xiàn)采用毛細管+節(jié)流段的形式進行實驗驗證。實驗臺由恒壓氣源、精密壓力表、氣體純化器、測試流道、精密流量計和數(shù)采系統(tǒng)構(gòu)成,如圖2所示。
實驗采用內(nèi)徑0.15mm的毛細管模擬節(jié)流段,內(nèi)徑0.3mm和0.4mm的毛細管模擬換熱器。節(jié)流段長度分別為10~50mm,換熱器段長度為500 mm,進氣壓力分別為1~10MPa。實驗結(jié)果與理論計算值如圖3所示。
圖2 節(jié)流特性流量實驗設備及原理
圖3 內(nèi)徑0.3mm、0.4mm毛細管搭配10~50mm節(jié)流段流量實驗及理論計算
由圖3可見,毛細管搭配節(jié)流段組成的節(jié)流元件流量理論計算值與實驗值符合良好,計算偏差均在10%以內(nèi)。說明該計算方法在計算微尺度節(jié)流特性時具有較高的準確性。
通過以上的計算研究得到了MMR微槽道的流動和節(jié)流特性,為得到MMR在實際工況下的工作特性,還需要在流動和節(jié)流特性的基礎上進一步進行換熱器和結(jié)構(gòu)參數(shù)研究。
在進行MMR換熱器計算時將其簡化為高低壓流體通過兩矩形槽道進行逆流間壁式換熱。并根據(jù)進口邊界條件和槽道幾何參數(shù)求解所需換熱器長度trans。在進行換熱器計算時首先需要對換熱器的流動換熱和性能參數(shù)進行定義。
雷諾數(shù)Re定義了換熱器內(nèi)部流型,計算公式如下:
式中:h為水力直徑,m;f為流體動力粘度,Pa·s。水力直徑h計算如下:
式中:c為通道流動面積,m2;為流體通道濕周長,m。
MMR換熱器由于尺寸微小,其內(nèi)部流動為層流,因此換熱器努塞特數(shù)Nu也可通過矩形換熱槽道經(jīng)驗公式得出,該公式所得Nu僅為換熱槽道深寬比的函數(shù)[14]:
將高低壓換熱器劃分為若干微元段,如圖4所示。
在MMR節(jié)流特性計算程序的基礎上添加換熱方程,實現(xiàn)對MMR換熱器內(nèi)部流動以及換熱的計算,計算程序進行的假設如下:
①將高、低壓換熱器簡化為一維流動,因節(jié)流段長度顯著短于換熱器長度,在換熱器計算中忽略節(jié)流段對換熱的影響;
圖4 MMR換熱器微元
②將高、低壓換熱器劃分為段長度為d的微元,在微元段內(nèi)部流體物性不變;
③高壓換熱器沿流動方向壓力變化顯著,每個微元段的物性與該微元的溫度和壓力有關(guān),低壓換熱器沿流動方向壓力變化不大假設其為定值0.1MPa,因此低壓換熱器每個微元段的物性僅與該微元的溫度有關(guān);
④高、低壓換熱器無不可逆損失,換熱器壁面的對流換熱量與流體焓值的變量相等,換熱器壁面的溫度為高、低壓換熱器流體溫度的平均值即:wi=0.5(hi+li);
⑤高、低壓換熱器計算不涉及制冷器節(jié)流部分,即高壓換熱器出口及低壓換熱器進口處工質(zhì)均為氣態(tài)氮氣。
高低壓換熱器質(zhì)量流量相等,因此可認為換熱器d微元段內(nèi)高低壓流體的焓變量相等,同時該焓變量與d微元段內(nèi)流體與換熱器壁面的對流換熱量也相等,結(jié)合以上條件即可將換熱方程嵌入MMR節(jié)流特性計算程序中,實現(xiàn)MMR流動和換熱的計算。
為方便計算研究,現(xiàn)設計MMR計算結(jié)構(gòu)如下:假設MMR高壓換熱器深寬比為0.5,低壓換熱器深寬比為1,MMR高壓換熱器水力直徑h=0.1mm,低壓換熱器水力直徑l=0.15 mm,節(jié)流段水力直徑jt=0.05 mm,節(jié)流段長度jt為10 mm,進口壓力取10MPa。計算得到的高低壓換熱器溫度分布、以及高壓換熱器壓力分布如圖5所示。
圖5可見,當節(jié)流后的低壓工質(zhì)完全換熱時換熱器長度trans需不小于657 mm。在此工況下制冷器流量為1.64 L/min。
圖5 MMR高低壓換熱器溫度及高壓換熱器壓力分布
Fig 5 Temperature distribution in MMR high and low pressure heat exchagers and pressure distribution in high pressure heat exchanger
在得到MMR換熱器槽道尺寸和長度后,還需進行換熱器槽道排布、制冷器外形結(jié)構(gòu)研究。
為實現(xiàn)MMR快速降溫,制冷器冷端熱負載應盡量減小,例如圖6(a)所示為武漢高芯科技有限公司研發(fā)的快速制冷節(jié)流制冷器[15]。因此MMR高壓換熱器槽道可采用阿基米德螺旋線的形式,該旋線節(jié)流端附近的流道較短,體積較小。如圖6(b)所示。
圖6 快速啟動節(jié)流制冷器及MMR高壓換熱器流道形式
根據(jù)MMR計算結(jié)構(gòu)的高壓換熱器長度為657mm,節(jié)流段長度為10mm,因此高壓側(cè)螺線總長度為667mm。
對于MMR微槽道刻蝕工藝而言,通??涛g深寬比≤1,且刻蝕出的槽道截面為矩形,可采用水力直徑公式(16)將矩形槽道等效為圓管。
MMR計算結(jié)構(gòu)的高壓換熱器刻蝕深寬比為0.5,當量流動直徑為0.1mm,代入公式(16)可求解得到高壓槽道寬h=0.15mm,深h=0.075mm。為確保MMR有足夠的結(jié)構(gòu)強度,高壓換熱器槽道間壁寬度應≥1.5h,即螺線螺距應≥2.5h(0.375mm)。根據(jù)阿基米德螺線方程求得該螺線方程為:=1.5+0.0597,=40.3π,為確保MMR氣密性及結(jié)構(gòu)強度,高壓槽道距離MMR邊緣距離應≥2mm。因此根據(jù)計算,該MMR槽道所需的平面面積應為22.12mm×22.12mm。另外,MMR由3片制冷器片鍵合而成,為方便加工及槽道刻蝕現(xiàn)選擇每片厚度為0.5mm的基片用于MMR加工,因此該MMR計算結(jié)構(gòu)的外形尺寸為22.12mm×22.12mm×1.5mm。
經(jīng)過以上計算研究,得到了換熱槽道尺寸、制冷器流量、制冷器外形尺寸之間的關(guān)系,為進一步對MMR工作性能進行研究需加工MMR實驗樣機。樣機外形尺寸為30mm×30mm×1.5mm,高壓流道h=0.12 mm、低壓流道l=0.18mm,換熱器長度721mm,材料采用目前國際上MMR產(chǎn)品常用的肖特D263T硅酸鹽玻璃[16]。
通過光刻刻蝕工藝及熱壓鍵合工藝實現(xiàn)了MMR樣機制造,樣機結(jié)構(gòu)如圖7所示。
圖7 MMR實驗樣機
進一步搭建了MMR性能測試系統(tǒng),原理圖如圖8所示。
在進行MMR的性能測試時需要將制冷器放置在MMR測試腔中并使用真空泵抽至真空環(huán)境才能達到較低制冷溫度。MMR的制冷溫度采用鉑電阻測量,制冷量由加熱電阻和對應的直流電源進行測量。
圖8 MMR性能測試系統(tǒng)原理示意圖
MMR為微型平板結(jié)構(gòu),需通過金屬真空進氣工裝配合DP490真空密封膠實現(xiàn)與高壓氣路的連接以及真空密封,氣路連接實物圖如圖9所示。
圖9 MMR氣路連接實物圖
在完成實驗測試系統(tǒng)搭建后對制冷器的流量、制冷量以及降溫曲線進行測試,并與理論分析和計算結(jié)果進行對比,驗證計算模型的有效性。
在之前章節(jié)的計算中均按照氣體工質(zhì)為氮氣進行,因為氮氣是目前節(jié)流制冷器最為常用的制冷工質(zhì),成本低廉應用廣泛。然而隨著紅外探測器技術(shù)的發(fā)展,部分節(jié)流制冷器開始使用制冷性能更好的氬氣作為制冷工質(zhì)。在MMR的實驗研究中氮氣、氬氣工質(zhì)均進行了使用和測試。在計算氬氣工況時,將計算程序調(diào)用的物性NIST數(shù)據(jù)庫由氮氣工質(zhì)變更為氬氣工質(zhì),即可在不改變計算邏輯的基礎上實現(xiàn)MMR在氬氣工況下的流動和換熱計算。
3.2.1 MMR流量計算驗證
MMR微槽道中的流動和換熱特性難以通過實驗測得,因此采用流量測試的方法對計算模型進行驗證。MMR流量測試值與計算值如圖10所示。
圖10 MMR流量實驗值與計算值
如圖10可見,氮氣、氬氣工質(zhì)的實驗流量與計算值符合良好,氮氣工質(zhì)的實驗與計算值的最大偏差為5.1%,氬氣工質(zhì)的實驗與計算值的最大偏差為3.6%,說明該理論計算模型在計算MMR流動特性時具有較高的準確性。
3.2.2 MMR制冷性能
除了制冷器流量外,也對MMR的降溫性能和制冷量進行了測試,制冷器在不同壓力下的降溫曲線如圖11(a)所示,作為對比荷蘭Twente大學提出的MMR與TEC熱電混合制冷器的降溫曲線如圖11(b)所示[17]。Twente大學提出的該MMR采用TEC熱電制冷器對MMR換熱器進行預冷,提升了MMR制冷性能。
如圖11(a)可見,MMR樣機能達到的最低制冷溫度分別為110K(氮氣)、119K(氬氣),降溫時間為250s(氮氣)、70s(氬氣)。在工作壓力為10MPa時測量得到制冷量:231 mW(氮氣)、479 mW(氬氣)。如圖11(b)可見,Twente大學提出的制冷器降溫時間約為25min,在8.8MPa氮氣工況下的制冷量為60mW[17]。MMR樣機的降溫時間和制冷量性能均優(yōu)于Twente大學MMR,并且該制冷性能能夠滿足當前紅外探測器的工作需求。
圖11 MMR實驗樣機與Twente大學MMR降溫曲線
芯片級節(jié)流制冷器MMR是一種新型節(jié)流制冷器,能夠顯著縮短探測器的軸向尺寸,有利于提升紅外探測器的微型化和集成化程度。
針對MMR實際工作特性,建立了適用于高壓力、微尺度流動工況MMR微槽道流動計算模型。在此基礎上對芯片級節(jié)流制冷器MMR的節(jié)流特性進行了研究,計算模型計算結(jié)果與實驗數(shù)據(jù)符合良好。進一步,對MMR換熱器、流道排布、制冷器結(jié)構(gòu)進行了研究,得到了MMR結(jié)構(gòu)設計參數(shù)。
對MMR進行了樣機制造和實驗研究,實驗結(jié)果與理論計算值符合良好,驗證了MMR微槽道流動和換熱計算模型的有效性。實驗樣機在10MPa工作壓力下制冷量分別為231mW(氮氣)、479mW(氬氣),降溫時間分別為250 s(氮氣)、70 s(氬氣),較國外MMR性能更優(yōu),且能夠滿足目前紅外探測器的工作需求。通過理論計算和實驗研究進一步明確了MMR的工作特性,為在紅外探測器領域應用提供了參考。
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Numerical and Experimental Study of Flow Characteristics and Cooling Performance of Micro Miniature Refrigerators
TONG Xin,LI Jiapeng,QIU Jie,XIA Ming,HUAI Yang,XIE Kunyuan,CHEN Junyuan
(,650223,)
The micro miniature refrigerator (MMR) is a novel Joule-Thomson cryocooler manufactured using micromachining technology, and its axial length is significantly shorter than that of traditional Joule-Thomson cryocoolers used in infrared detectors. MMRs can significantly reduce the size of infrared detectors when they are successfully integrated. To study the working mechanism of MMRs, a microchannel flow calculation model is established considering the high working pressure and significant change in the gas properties along the microchannels, and the calculation model is verified experimentally. The heat transfer characteristics, microchannel distribution, and overall dimensions of the MMRs are further investigated. Furthermore, an MMR prototype is fabricated based on the calculation results and its cooling performance is studied experimentally. The experimental results correspond well to the predictions of the calculation model. The MMR prototype achieved cooling temperatures of 110K and 119K under 10MPa N2and Ar working conditions, the cooling power reaches 231mW and 479mW, and the cool-down times are 250s and 70s, respectively. Consequently, the cooling performance of the MMR prototype is superior to that of the foreign MMR and meets the cooling requirements of infrared detectors.
micro miniature refrigerator, micro flow, calculation model, cooling performance
TP39
A
1001-8891(2024)04-0467-08
2023-09-23;
2023-10-23.
童欣(1992-),男,工程師,博士研究生,主要從事微型節(jié)流制冷器方面研究。E-mail:291740057@qq.com。