氩气微槽道焦-汤效应制冷器实验研究

王文卿 崔晓钰 耿 晖 韩小晨 翁建华

(1上海理工大学能源与动力工程学院 上海 200093) (2上海电力学院能源与机械工程学院 上海 200090)

氩气微槽道焦-汤效应制冷器实验研究

王文卿1崔晓钰1耿 晖1韩小晨1翁建华2

(1上海理工大学能源与动力工程学院 上海 200093) (2上海电力学院能源与机械工程学院 上海 200090)

汉普逊型J-T效应制冷器结构不紧凑，其支撑芯轴占据较大空间，换热效率低。为提高其换热性能，将换热效率高的微槽道技术应用于J-T效应制冷器，设计出一种新型的多层微槽道J-T效应制冷器试件，并搭建实验台对其进行性能测试与分析。实验以进口温度7.5 ℃和10.5 ℃，进口压力4 MPa至8 MPa的氩气为冷源，对各测点的温度进行采集，并完成冷端温度的性能测试与分析。实验表明，在相同的进气温度下，随着进气压力增高，冷端温度降低，在进气温度为10.5 ℃、压力为8 MPa时冷端温度最低可达-41.1 ℃。同时，在相同的进气压力下，冷端温度随进气温度的降低而降低，在进气压力7 MPa下，进口温度7.5 ℃比10.5 ℃的冷端温度低6.1 ℃。

微型节流制冷器 氩气 实验系统 制冷性能

1 引 言

微型J-T效应制冷器的研究始于20世纪50年代，其作为发展较为成熟的微型制冷器之一，具有体积小、重量轻、效率高、功耗少等特点，广泛应用于低温电子技术、空间技术、红外探测器及冷冻外科手术等领域[1]。

陈儿同[2]等以氮气为冷源，用半导体预冷的微型J-T制冷器对低温显微镜进行降温实验，实验表明氮气的最佳进气压力为7 MPa，系统在-80 ℃时有5 W的制冷量。王宏宇等[3]实验研究了基于氩气的低温探针的冷冻性能，探针内部换热段毛细管内径0.4 mm，长度100 mm，节流段为节流喷嘴。实验采用开式制冷系统，结果表明在进气压力20 MPa时，探针尖端最低温度可达112.9 K，进气温度从290.4 K降到274.3 K能够使探头冷量输出增加约24%。徐海峰[4]等对一种快速启动的锥形节流制冷器进行了实验研究，选用45 MPa氩气作为冷源头，得出温度下降至100 K所需时间少于2.3 s，芯片降温至同样温度的时间少于7.21 s。

目前应用的J-T效应制冷器绝大部分采用汉普逊型，其由逆流换热段、节流段、进出口段和蒸发段组成，如图1，单级微型节流制冷器所示[5]，其中间芯轴仅起到支撑作用，但占用制冷器内较大空间。为了提高节流制冷器中回热换热器的紧凑程度，增强制冷效果，微槽道技术被应用于J-T效应制冷器中。微槽道具有高表面积-体积比的优点，且已商用的微槽道冷板热流密度大于250 W/cm2，散热能力超过200 W[6]。

图1 单级微型节流制冷器Fig.1 Single stage J-T cryocooler

美国斯坦福大学利特尔(W A Little)教授[7]首次成功研制出基于光刻蚀腐蚀技术制造的微型节流制冷器，其采用玻璃基片或者硅片刻蚀细微槽道作为气流的换热流道、节流元件和蒸发器，以氮气为工质，在运行高压为16.5 MPa的开式循环系统对该制冷器进行了实验研究，最低温度达到了88 K。Lerou[8]运用刻蚀加工技术在刻蚀有矩形槽道的玻璃圆片上制作了J-T效应制冷器，以氮气为工质进行试验，所设计试件制冷量最大可达20 mW，顶端温度最低至100 K。王昂，公茂琼等人[9]采用3D打印技术制作微针肋条结构的逆流换热器，采用进口压力为1.6、1.7 MPa的氮气和甲烷等5种工质组成的混合工质，通过闭式制冷系统进行实验，获得的最低温度为230 K。

本文将微槽道技术与J-T效应制冷器结合，提出一种新型多层微槽道焦-汤效应制冷器方案，并对其进行实验研究。实验采用开式系统，基于本实验以微通道焦-汤节流制冷器的结构设计为研究目的，采用高压纯气体作为工作物质，常用的工质有氮气、氩气等。从J-T效应机理以及各气体的转化曲线[4]，可以确定氩气达到的制冷效果优于氮气，所以本微制冷系统选用氩气作为实验工质。

2 实验试件设计

图2为微通道回热换热J-T效应制冷器试件示意图。试件选用不锈钢制作，分为进口段、回热换热段、节流段与蒸发腔。

图2 节流制冷器高压通道示意图Fig.2 High pressure channel schematic diagram of J-T cryocooler

从文献中总结经验，并结合加工工艺及理论计算对试件结构尺寸进行确定。制冷器总长200 mm，其中进口处10 mm，回热段长140 mm[3,10]，节流段40 mm[2,10]，蒸发腔10 mm[1]。高低压通道边板厚度1 mm，头部厚度1.5 mm，其他具体尺寸如表1，高低压通道及节流段具体尺寸表所示。进口段支撑圆柱根据加工要求确定为直径0.5 mm，共12个，在高压通道与节流段连接处有4个直径为0.5 mm的圆柱作为支撑。

表1 高压、低压与节流通道具体尺寸表

试件进出口采用上进下出的方式，通道采用多条矩形型式，设置高低压通道各3层，低压通道高度为高压通道的4倍。本试件板片采用激光刻蚀制作，将板片线切割成单片微通道，按照设计顺序摆放整齐后，放到炉内进行扩散融合焊接成整体，试件实物图如图3所示。

图3 试件实物图Fig.3 Picture of physical specimen

3 制冷系统设计

本实验采用开式制冷系统，图4为实验台效果

图。氩气从高压气瓶出来之后，通过减压稳压阀调节到工作压力，并通过流量计获得流量值。因为常温的氩气可以直接制冷，为了便于对比，设计时进气分为两路。一路是气体不经过预冷换热器直接通过温度和压力变送器后进入放在真空腔中的试件，节流后的出口气体直接排出室外；另一路是气体通过预冷换热器，用出口气体来预冷高压进气后再排出室外，实验台实物图如图5所示。

图4 实验台效果图Fig.4 Schematic of experimental setup

图5 实验台照片Fig.5 Picture of experiment setup

进出口温度测量即T1和T11采用铜-康铜(T型)热电偶，表面贴片热电偶在试件上的位置如图6所示，其中2至10号依次贴在试件上，最冷端测点为9和10号，热电偶的准确度均为0.1 ℃。

图6 热电偶贴片位置Fig.6 Thermocouples placements

压力变送器量程为0—10 MPa，精度等级为0.2级，其绝对不确定度为0.02 MPa。质量流量计采用XD-600数字型质量流量计，选用量程0-50SLPM，最大耐压10 MPa，准确度1%。

4 实验研究与结果分析

本实验对设计制作的微槽道J-T效应制冷器试件的降温特性、制冷能力进行了实验研究。

开始实验前首先对系统进行检漏和保压，确定实验系统无气体泄露；随后，打开流量计，压力变送器及安捷伦34970A电源，并设置热电偶测温通道，确保各测量设备读数显示正常；最后，对真空罐抽真空，形成真空后，关闭真空泵，经保压测试完成实验前的准备工作。

实验时，打开气瓶阀门，旋转减压阀至实验工况数值，开始实验数据采集，待各项数据稳定后，保存温度数据，同时记录流量和压力数值，完成一个工况的实验。在进行下一个工况的实验前，需等待一定时间，确保实验系统内无残余工质且试件温度恢复至常温。完成所有实验工况的测试后，排出系统内气体，关闭气瓶与各测量设备电源，结束实验。

4.1 进口压力的影响

不同压力下各测点温度变化趋势一致，现选用8 MPa，10.5 ℃工况为例分析。

图7为进口压力8 MPa，进口温度10.5 ℃时，各测点温度随时间的变化图，可以看出2号至10号热电偶的温度随时间的增加在所测时间内呈现不同程度的下降。其中，在0—600 s内温度随时间逐步降低，在600—700 s内温度逐渐趋于稳定，从9号与10号热电偶数据可以看出，制冷器产生了明显的制冷效果。

图7 8 MPa，10.5 ℃时各测点温度随时间的变化图Fig.7 Temperatures of each measuring point versus time at 8 MPa inlet pressure and 10.5 ℃ inlet temperature

如图8，进口压力8 MPa、进口温度10.5 ℃时，各测点最低点温度图所示，温降从2号测温点开始，2—5号温度依次缓慢降低，温度在5—8号处降幅最大，从8—10号温降逐渐趋于缓慢，在9号和10号测点处获得最低温度。5号位于多层微槽道换热结构处，与低温回流首先换热，两者温差较大，因此换热较明显，5—6号温降也相应较大；从6号热电偶的位置开始，实验工质进入节流段，其受到的流动阻力突然增大，通道内氩气的压力减小，故6号位置温度大幅下降，在7号和8号位置继续下降，经过8号位置后气体进入相对较大空间的蒸发腔内，压力进一步降低而使温度随之下降，9号和10号为整个试件温度最低点。气体从蒸发腔返回低压通道，与高压来流进行换热最后排出试件，11号测试为试件出口温度。

图8 8 MPa，10.5 ℃时试件上各测点最低温度图Fig.8 The lowest temperature of each measuring point on specimen at 8 MPa inlet pressure and 10.5 ℃ inlet temperature

图9为不同压力下，冷端温度随时间的变化图。当进气压力为8 MPa时降温速率最快，在10 min内冷端温度T9降低40 ℃左右，而进气压力为4 MPa时在10 min内仅降低12 ℃左右，其余进气压力下在相同时间内降温幅度则居于两者之间。

图9 不同压力下冷端温度随时间变化图Fig.9 Cold end temperature versus time under different inlet pressure

综上所述，随着进气压力的升高，冷端温度的降温速率增大且冷端最低温度降低。进口温度为10.5 ℃，压力为8 MPa时冷端温度最低达到-41.1 ℃。

4.2 进口温度的影响

图10为不同进气温度下冷端温度随时间变化图。在5 MPa，6 MPa，7 MPa3个进气压力下，见图10a，10b，10c，7.5 ℃进气温度下试件冷端所能达到的最低温度均低于10.5 ℃进气温度下的情况，试件冷端最低温度随着进气温度的降低而降低。在进口压力为5 MPa，6 MPa，7 MPa的情况下，两种不同进气温度下冷端温度差值依次为4.7 ℃，5.2 ℃，6.1 ℃，即随着进气压力的升高，两进气温度下冷端最低温度相差越来越大。

图10 不同进气温度下冷端温度随时间变化图Fig.10 The cold end temperature versus time under different inlet temperature

5 结 论

本文对实验试件不同压力，不同温度下的降温特性进行分析，结论如下：

(1)试件大幅度降温过程主要集中在5—8号测点区，这是由于6号测点位于节流区进口，氩气受到的流动阻力突然增大，压降增大，故6—8号测点区温度大幅下降。而5号测点位于回热段末端，入流的高压气体与节流后的低温回流首先换热，两者温差较大，换热较明显，所以5—6号测点区温降也相应较大。

(2)进气温度相同时，通过对5种不同的进气压力的实验表明，进气压力越高，冷端温度越低，在进气温度为10.5 ℃，压力为8 MPa时，冷端最低温度(T9)达到-41.1 ℃。随着进气压力的增加，冷端降温速率也不断上升，实验数据表明，在相同时间内(10 min)，8 MPa的冷端降温幅度(40 ℃)为4 MPa的冷端降温幅度(12 ℃)的3倍多。

(3)进气压力相同时，对进气温度10.5 ℃和7.5 ℃进行对比，7.5 ℃的进气温度下试件冷端达到的最低温度均低于10.5 ℃，所以进气温度越低，节流后所能达到的温度越低。同时，进气压力从5 MPa到7 MPa，两种温度下最低端温度的差值依次为4.7 ℃，5.2 ℃，6.1 ℃，即随着进气压力的升高，两者冷端最低温度的差值逐步增大。

1 张国刚.微型制冷器[M].北京：国防工业出版社,1984:1-75.

Zhang Guogang. Micro Cryocooler[M]. Beijing: National Defense Industry Press,1984:1-75.

2 李巧巧, 陈儿同, 左志强,等. 低温显微镜新冷源系统的实验研究[J]. 制冷学报, 2011, 32(3):53-55.

Li Qiaoqiao, Chen Ertong, Zuo Zhiqiang, et al. Experimental study on a new Low-temperature System for Cryomicroscope[J]. Journal of Refrigeration, 2011, 32 (3): 53-55.

3 王宏宇，张绍志，陈光明，等.高压氩气节流型低温探针的实验研究[J].低温工程，2014(1):22-26.

Wang Hongyu, Zhang Shaozhi, Chen Guangming,et al. Experimental study on a cryoprobe utilizing throttling of high pressure argon[J].Cryogenics,2014(1):22-26.

4 徐海峰,杨海明,杜文飞，等.快速启动锥形节流制冷器的研制[J].低温物理学报，2015,37(2):157-160.

Xu Haifeng, Yang Haiming, Du Wenfei, et al. The development of a fast cooling-down conical J-T cooler[J]. Chinese Journal of Low Temperature Physics,2015,37(2):157-160.

5 Harrison M S, Kendra P,Greg N, et al. Modeling, Experimentation and Optimization for a Mixed Gas Joule-Thomson Cycle with Precooling for Cryosurgery[D].Madison, University of Wisconsin,2011.

6 李兵强. 微通道液冷冷板技术研究进展[J]. 科技视界, 2013(7):60-60.

Li Bingqiang, The research development in micro-channel liquid cooling cold plate technology[J].Science& Technology Vision, 2013(7):60-63.

7 Little W A. Microminiature refrigeration—small is better[J]. PhysicaB+c, 1982, 109-110:2001-2009.

8 Lerou P PP M, Venhorst G C F, Berends C F,et al. Fabrication of a micro cryogenic cold stage using MEMS-technology[J]. Journal of Micromechanics and Microengineering,2006,16:1919-1925.

9 王 昂，公茂琼，吴剑峰. 基于3D打印的微微型混合工质J-T制冷器实验研究[J].工程热物理学报,2015,36(3):600-604.

Wang Ang, Gong Maoqiong, Wu Jianfeng. Experimental Investigation on a 3D Print made Microminiature Mixed Refrigerant J-T Cooler[J]. Journal of Engineering Thermophysics,2015,36(3):600-604.

10 Widyaparaga A, Kuwamoto M, Tanabe A, et al. Study on a wire-type Joule Thomson microcooler with a concentric heat exchanger[J]. Applied Thermal Engineering,2010,30:2563-2573.

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

上海市自然科学基金项目(14ZR1429100)项目资助。

王文卿，男，26岁，硕士研究生。

TB657

A

1000-6516(2016)05-0046-05