氮气多层微槽道J-T效应制冷器性能实验研究

耿晖崔晓钰王文卿翁建华

(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)

氮气多层微槽道J-T效应制冷器性能实验研究

耿晖1崔晓钰1王文卿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)

本文将多层矩形微槽道与焦汤制冷器两种结构结合制作了多层微槽道J-T效应制冷器，回热段设置高低压矩形通道各三层交叉叠放。以氮气为制冷剂，采集其在多层微槽道J-T节流制冷器各测点温度，分析氮气在制冷系统各阶段的降温特性，对比氮气与氩气在微槽道J-T效应制冷器中的实验结果。结果表明:当进口压力为4～8 MPa时，随着压力的增大，氮气冷端温度越低，达到稳定冷端温度的时间越短;当进口压力为8 MPa时，氮气冷端在200 s左右趋于稳定温度约1.7℃;在相同进口压力下，氩气冷端温度低于氮气，但氮气达到冷端温度的时间比氩气更短;进口压力为7 MPa时，氮气冷端温度稳定时间比氩气提前约450 s;进口压力8 MPa的氮气与4～5 MPa的氩气温降相近，且氮气的降温时间更短，可以考虑用氮气代替氩气以减少制冷成本。

焦耳-汤姆逊效应;微槽道;降温速度

AbstractA multilayer micro-channel Joule-Thomson(J-T)cryocooler was designed by combining several layers of rectangular microchannels with a coke soup cooler.The heat recovery section was constructed using three layers of high-and low-voltage rectangular channels.Experiments were conducted using nitrogen as a refrigerant with inlet pressures ranging from 4 to 8 MPa，and the temperatures of each measuring point of the multi-layer microchannels in the J-T cryocooler were collected.The cooling characteristics of nitrogen in the various stages of the refrigeration system were analyzed，and the experimental results obtained when nitrogen and argon were used in the JT cryocooler were compared.The results show that， when the inlet pressure is 4-8 MPa， a lower temperature for the nitrogen cold end with increasing pressure corresponds to a shorter time period to reach a stable cold-end temperature.When the inlet pressure is 8 MPa，the cold-end temperature reaches 1.7℃at approximately 200 s.The argon cold-end temperature is lower than that of the nitrogen at the same inlet pressure;however，the time required for the nitrogen to reach the cold-end temperature is shorter than that for the argon.When the inlet pressure is 7 MPa， the temperature of the cold-end argon gas occurs approximately 450 s ahead of time.Further， the temperature drops for nitrogen at an 8 MPa inlet pressure and argon at a 4-5 MPa inlet pressure are similar.In addition，the nitrogen cooling time is shorter.Thus，the use of nitrogen instead of argon can reduce the cooling costs.

KeywordsJoule-Thomson effect;rectangle micro channel;velocity of temperature falling

目前，J-T低温冷却器广泛应用于空间飞行器电子设备冷却、武器装备制导及雷达探测、低温电子显微、低温医学手术、低温电子设备热控等航空航天、军事、医疗等领域[1-5]。

以上相关领域中元器件需要低温的工作环境，低温环境可以减少热干扰，提高设备仪器的灵敏度，保证工作的可靠性以及正常运行寿命。伴随诸多领域对狭小空间快速降温的需求，微型节流制冷器在20世纪50年代应运而生，开式J-T制冷器具有不耗电、结构简单、启动时间短、可靠性高等特点，适用于短期使用的装置中。

制冷工质是影响J-T制冷器制冷性能的重要因素，开式制冷系统中一般采用纯工质做制冷剂。根据微分节流效应，焦耳-汤姆逊系数αh为正值时，气体经过节流过程温度下降;由气体温度转化曲线可知，空气、氩气、氮气、二氧化碳等上转化温度都高于常温，这些气体常温状态下节流后会产生不同程度的温降，且αh越大，相同条件下的制冷量越大。

开式制冷系统多采用高纯氩气、氮气为制冷剂。氩气的J-T系数较大，在节流制冷器的研究过程中，表现出优越的制冷特性。K.C.Ng等[6-7]考虑系统漏热，运用全分布式法对汉普逊J-T效应制冷器的传热性能进行数值模拟，并根据实验结果验证。采用进口压力p=0.1～20 MPa，初始温度为290 K的氩气作为制冷工质，实验与模拟结果吻合，最低温度可达96 K，制冷量为3.5 W。李家鹏等[8]以氩气为工质，用正交试验参数优化法研究了肋高、肋间距及肋厚对双螺旋管翅式节流制冷器热力性能的耦合影响，在三者最优组合下得到换热量为32.87 J。王宏宇等[9]研究了高压氩气在直径为5 mm的低温探针中的制冷效应，实验表明:环境温度为296.3 K，进气压力为20 MPa时，冷端温度可以达到112.9 K;进气压力为18 MPa时，在291 K的水中，冷端可以形成长4.9 cm，直径2.8 cm的冰球。通过对氩气多层微槽道J-T节流制冷器的实验研究，得知随着进气压力的升高，冷端温度逐步降低，进气温度为10.5℃，压力为8 MPa时，冷端最低温度可达到-41.1℃。

考虑工程领域的应用，氮气作为制冷工质不仅安全可靠，而且相比于氩气具有价格低、易获得等优势。W.A.Little[10]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，采用玻璃基片或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88 K。李巧巧等[11]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，结合不同压力下降温特性和氮气瓶实用压力确定理想进气压力为7 MPa，通过实验得到节流后温度为-80℃，制冷量约为5 W。H.S.Cao等[12]以氮气为制冷工质，在二级并行的节流制冷系统中进行实验研究。制冷器采用具有两级节流膨胀的微型结构，外形尺寸为60 mm×9.5 mm×0.72 mm。进口压力pi=8.5 MPa，出口压力为0.1 MPa时，第二级冷端温度达83 K，制冷量为98 mW。赵庆孝等[13]设计了一种新型超低温冷冻医疗系统，以氮气为制冷剂，在pi=8.5 MPa，预冷后温度-125℃条件下，10 min内，在20℃水中形成长5.8 cm，直径4 cm的冰球。叶萍等[14]研究了氮气作为制冷剂在冷冻消融探针J-T节流制冷器中的降温特性，以乙醇作为预冷装置的载冷剂及蓄冷剂，进口压力为恒压8 MPa，实验证明:氮气流量随高压氮气出口温度降低而增大;在合理范围内，降低氮气的预冷温度，可获得更低的探针工作温度，但会影响回热换热器的换热效果。

在相同工况下，氮气在J-T节流制冷系统中降温能力虽弱于氩气，但可广泛应用于工程领域。本实验以氮气为制冷工质，研究氮气在多层微槽道焦汤制冷系统中降温特性。

1 制冷系统设计

在环境温度下进行实验，采用开式制冷系统，图1为实验台效果图。氮气从高压气瓶出来后，通过稳压阀调节到工作压力，用压力变送器测量进出口气体压力。在试件内，高压气体经进口段流入回热段，由返流的低温气体预冷，进入节流段节流降温后进入蒸发腔完成降温过程，然后作为低温气体返回回热段与高压气体换热，最终在出口直接排出。

图1 实验台效果图Fig.1 Schematic of experimental setup

现有制冷器通道层状结构层数很少，通道数目和制冷量有限，因此，提出多层微通道回热换热焦汤制冷器并行强化通道换热[15-16]。

根据压降大小确定试件各阶段具体尺寸。首先，参照预期制冷量和用气量假设制冷过程中的氮气流量，再根据Re选取各阶段合适的摩擦阻力系数关联式，在各阶段计算中分别给定该阶段的进口温度和压力的初值，应用上述参数计算出各阶段压降，最终得到试件整体压降，根据试件出口处压降的大小适当调整各阶段尺寸。

制冷器总长200 mm，包括进口段、回热段、节流段、蒸发腔四部分，如图2所示，试件进口段长10 mm，采用12个直径0.5 mm的小圆柱做支撑;回热段长140 mm，通道采用多条矩形型式，设置高低压通道各三层交叉叠放，每层各6条通道，高压回热矩形通道高0.1 mm，宽0.3 mm，低压回热矩形通道高0.4mm，宽0.3 mm;节流段长40 mm，采用当量直径为0.067 mm的矩形通道，高压回热段与节流段连接处采用4个直径为0.5 mm的小圆柱支撑;蒸发腔长10 mm，斜角角度150°。高低压通道边板厚度1 mm，头部厚度1.5 mm。材料方面，制冷器以不锈钢居多，也有玻璃等材料[1，2，17]。根据强度需求，采用不锈钢为制作材料。

图2 节流制冷器高低压通道Fig.2 High and low pressure channel schematic diagram of J-T cryocooler

试件结构尺寸设计完成后，进行试件加工制作。首先在板片上光刻蚀出设计的通道，然后采用线切割的方式将微通道板片切割成单片微通道，并按照设计中高低压通道顺序将各单片微通道排列整齐，最后采用扩散融合焊接技术焊接成整体。

进出口温度测量(即t1和t10)采用铜-康铜(T型)热电偶，分别置于图2(a)中高压进口与低压出口处，实验所用热电偶的精度为±0.1℃。表面贴片热电偶在试件上的位置如图3所示，2～9号依次贴在试件上，最冷端测点为8和9号，热电偶精度为±0.1℃。

图3 热电偶贴片位置Fig.3 Thermocouples placements

压力变送器量程为0～10 MPa，精度等级为0.2级，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 0～50 NL/min，最大耐压10 MPa，精度1%。

2 氮气制冷器实验

本实验选用入口温度295 K左右的氮气，对其在多层微槽道J-T节流制冷系统中的制冷效果进行实验研究，采集进口压力在4～8 MPa范围内4、5、6、7、8 MPa 5个压力工况下的数据。

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漏;然后，打开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，开始实验数据实时采集，待各项数据稳定后，保存温度数据，同时记录压力数值，完成一个工况的实验。进行下一工况实验前，需等待一段时间，确保实验系统内无残余工质且试件温度恢复至常温。完成所有实验工况测试后，排出系统内气体，关闭气瓶与各测量设备电源，实验结束。

图4所示为不同压力下各测点温度随时间的变化，测点8和9的位置完全对称，以两点温度均值命名为测点8′。各压力状态下，测点3～8温度都随时间呈不同程度降低，且都是先降低，随后温度稳定在某一水平，分别达到该工况下各测点的最低温度。在各压力下8′点的温度都低于其他测点，代表测点8、9位于试件节流段后头部腔体的温度，即试件的冷端温度。

由图5各压力下冷端温度变化可知，压力越大各测点温度的降幅越大，变化越不平稳，相对降温速度越快。 4、5、6、7、8 MPa 下冷端温度分别为 7.2、3.6、3.1、2.3和1.7℃，相比进口温度分别下降约13.8、17.4、17.9、18.7和19.3 ℃;4 MPa时，温度在 600 s后趋于稳定，稳定后温度方差为0.015℃;6 MPa下，温度在300 s后趋于稳定，稳定后温度方差为0.029℃;8 MPa下，温度在200 s后趋于稳定，稳定后温度方差为0.170℃。

图6所示为各压力下测点的温度分布，结合制冷试件的整体设计结构分析，测点1～2为试件进口段，温度变化极小，从测点3开始进入回热换热段，高低压层之间由于温差而持续换热，回热换热产生的降温延续到测点6，进口压力为8 MPa时，该阶段产生12.5℃的温降;从测点6开始为试件的节流段，由于节流效应，温度快速下降，到测点7为止节流段产生的温降为5.3℃，节流段降温速率明显较回热段提高。最后进入蒸发腔内，温度达到最低，以8 MPa为例，7～8测点温降为0.7℃。整个制冷过程温降共为19.2℃，回热段降温占总降温比例约65.3%，节流段降温占比约31.2%，最终可以将温度降低到5℃以下，产生制冷效果。

3 氮气与氩气制冷器对比实验

分别选用氮气与氩气为制冷剂，将二者在该制冷系统中得到的冷端温度进行对比。

图4 不同压力下各测点温度随时间的变化Fig.4 The measuring point temperature versus time under different inlet pressure

图5 各压力下冷端温度随时间变化Fig.5 The cold end temperature versus time under different inlet pressure

图6 各压力下测点的温度分布Fig.6 Temperature distribution of the measuring points under different pressure

实验中压力范围为4～8 MPa，选取中间三种连续压力的数据得到不同压力下两种工质冷端温度变化，如图7所示，可以看出:相同进口压力下，氮气的冷端温度总是高于氩气的冷端温度，且随着时间推移，二者温差逐步增大直至两种工质的制冷温度都达到稳定。5～7 MPa，氮气冷端温度与氩气冷端温度的差值依次为5.7、10.4℃和16.3℃，随着制冷工质进口压力增大，氮气与氩气冷端温度的差值逐渐增大。

进口压力为5 MPa时，氮气达到冷端温度的时间约在600 s，氩气约在800 s;进口压力为6 MPa时，氮气达到冷端温度的时间约在300 s，氩气约在700 s;进口压力为7 MPa时，氮气达到冷端温度的时间约在150 s，氩气约在600 s;5～7 MPa下，二者稳定时间差值依次为200 s、400 s、450 s。 随着压力的增大，二者达到冷端温度的时间都缩短;但在同样进口压力下，氮气速度总是比氩气快，且压力越大，二者达到冷端温度的时间相差越大。

由图8可知，pi=8 MPa时氮气大约在200 s内完成降温，而pi=4 MPa、5 MPa的氩气分别在850 s、800 s左右冷端温度才趋于稳定，氮气达到冷端温度的速度明显比氩气快。

图7 不同压力下两种工质冷端温度变化Fig.7 The cold end temperature of two working fluids under different pressure

图8 4 MPa、5 MPa氩气与8 MPa氮气的冷端温度随时间变化Fig.8 The cold end temperature versus time of argon at 4 MPa、5 MPa and nitrogen at 8 MPa

pi=8 MPa时，氮气前200 s内温降较大，200～900 s内温度基本稳定，冷端温度的稳定值约为1.5℃，从初始到稳定冷端温降为13.2℃;在pi=4 MPa、5 MPa下，氩气降温速率都较慢，pi=4 MPa时氩气稳定值约为6.5℃，冷端温降为8.4℃，pi=5 MPa时氩气稳定值约为-1.0℃，冷端温降为16.1℃。pi=8 MPa下氮气冷端温降大于pi=4 MPa下氩气冷端温降，小于pi=5 MPa下氩气冷端温降，稳定的冷端温度处于pi=4 MPa和pi=5 MPa氩气的冷端温度之间，上下差值小于3℃。

对比pi=8 MPa下氮气与pi=4 MPa、5 MPa下氩气的降温效果，前者降温速度更快，达到稳定冷端温度的时间更短。因此，在压力合适的条件下，尤其是对降温速率要求较高的应用中可以考虑用进口压力为8 MPa的氮气代替进口压力为4～5 MPa的氩气作为制冷工质。由于系统承压有限且没有增压装置，没有进行更高压力的实验，得到的实验结果有限。

4 结论

实验研究了氮气在微槽道焦汤制冷系统中的制冷性能，对比了氮气与氩气的制冷效果，分析了氮气作为制冷工质时适用的条件和场合，得到以下结论:

1)进口压力在4～8 MPa范围内，进口压力越大，氮气可获得的冷端温度越低，降温速率越快;当进口压力为8 MPa时，氮气的冷端温度在200 s左右趋于稳定，稳定的冷端温度约为1.7℃。因此，在合适的压力范围内，可以考虑提高氮气的进口压力以更快的获得更低的冷端温度。

2)对比氮气与氩气在微通道焦汤制冷系统中的降温特性，实验范围内，在相同进口压力下，氮气达到稳定的冷端温度的时间比氩气快，进口压力为5、6、7 MPa 下，二者稳定时间差值依次为 200、400、450 s，但氮气的冷端温度比氩气高。

3)在进口压力为8 MPa时，氮气稳定的冷端温度介于进口压力分别为4 MPa和5 MPa氩气的冷端温度之间，降温速率比氩气更快，故在压力允许的条件下，可以考虑采用进口压力为8 MPa的氮气代替进口压力为4～5 MPa的氩气，减少制冷剂成本。

本文将多层微槽道结构用于焦汤制冷器，并对氮气替代氩气的制冷效果进行了初步研究，该试件阻力大于预算，流量较小，试件结构还有待改善。

本文受上海市自然科学基金(14ZR1429100)资助。(The project was supported by Shanghai Municipal Natural Science Foundation(No.14ZR1429100).)

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Experimental Study on Multilayer Rectangular Micro-channel Joule-Thomson Cryocooler with Nitrogen

Geng Hui1Cui Xiaoyu1Wang Wenqing1Weng Jianhua2
(1.School of Energy and Power Engineering， University of Shanghai for Science and Technology， Shanghai， 20093，China;2.School of Energy&Mechanical Engineering， Shanghai University of Electric Power，Shanghai， 20090，China)

TB61+1;TB66

A

2016年11月7日

0253-4339(2017)05-0093-06

10.3969/j.issn.0253-4339.2017.05.093

崔晓钰，女，教授，上海理工大学能源与动力工程学院，13166199495，E-mail:xiaoyu_cui@usst.edu.cn. 研究方向:工程热物理。

About the corresponding authorCui Xiaoyu， female， professor， School of energy and power engineering， University of Shanghai for Science and Technology， +86 13166199495，E-mail:xiaoyu_cui@usst.edu.cn.Research fields:engineering thermophysics.