王田剛 孫述澤 閆春杰 霍英杰 許國太

(蘭州物理研究所真空低溫技術(shù)與物理重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 蘭州 730000)

一種MMR制冷器的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證與性能分析

王田剛 孫述澤 閆春杰 霍英杰 許國太

(蘭州物理研究所真空低溫技術(shù)與物理重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 蘭州 730000)

針對(duì)一種MMR制冷器開展了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證與性能分析，闡述了MMR的工作機(jī)理、并針對(duì)具體實(shí)驗(yàn)結(jié)果給予分析，討論了影響制冷器性能的諸多因素，得到工質(zhì)的工作壓力對(duì)制冷器的性能影響顯著。提出研制MMR制冷器原理型樣機(jī)的設(shè)計(jì)與實(shí)施方案，對(duì)設(shè)計(jì)的新的節(jié)流制冷器進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，對(duì)比分析了兩種節(jié)流制冷器之間的性能差距原因。

MMR制冷器 實(shí)驗(yàn) 性能分析

1 引言

MMR(Microminiature J-T Refrigerator)是一種制作工藝新穎獨(dú)特的微型節(jié)流制冷器［1-2］。與傳統(tǒng)節(jié)流制冷器相比，MMR具有結(jié)構(gòu)簡單、使用方便、體積和質(zhì)量小、無運(yùn)動(dòng)部件、無振動(dòng)、易與電子器件集成化、易批量生產(chǎn)等諸多特點(diǎn)。作為一種方便可靠的冷源，可廣泛應(yīng)用于工業(yè)和實(shí)驗(yàn)研究中，例如:紅外探測(cè)器的溫度試驗(yàn)，冷卻CCD陣列，紅外光譜儀試件冷卻，掃描式電子顯微鏡試件冷卻，集成電路冷卻和溫度穩(wěn)定性控制，微型冷泵，生物組織的冷凍干燥［2］。圖1和圖2分別為MMR節(jié)流制冷器和MMR制冷系統(tǒng)組成圖。

國外主要從事MMR制冷器研制的國家主要是美國和日本，經(jīng)過長期的積累和實(shí)驗(yàn)以及投入，其工程化產(chǎn)品早已問世。因其對(duì)加工、制造、封裝等技術(shù)精度要求很高，國內(nèi)目前還沒有完全掌握MMR制冷器的技術(shù)。

圖1 MMR制冷器Fig.1 Microminiature J-T Refrigerator

圖2 MMR制冷系統(tǒng)組成圖Fig.2 System of MMR

2 結(jié)構(gòu)特性與工作機(jī)理

MMR微型節(jié)流制冷器通常采用平板式結(jié)構(gòu)，即構(gòu)成制冷器的換熱器、節(jié)流裝置均以微槽道的形式加工于平板上，同時(shí)利用封裝技術(shù)，實(shí)現(xiàn)板間的密封，使高壓氣體在密閉腔體內(nèi)流動(dòng)，利用實(shí)際氣體的焦耳—湯姆遜原理產(chǎn)生制冷效應(yīng)［3］。該種節(jié)流制冷器采用二次膨脹方法來獲得低溫，大部分高壓氣體經(jīng)第一次膨脹后返流進(jìn)入換熱器，預(yù)冷進(jìn)口的氣體，而剩余部分氣體在膨脹腔中繼續(xù)膨脹，經(jīng)二次膨脹后進(jìn)入換熱器，經(jīng)過換熱后由排氣口排出［4］。

MMR制冷器采用開式節(jié)流制冷系統(tǒng)，即采用高壓氣源為工質(zhì)，經(jīng)過節(jié)流、換熱后的氣體直接排出，不回收，沒有氣體壓縮機(jī)，不形成氣體流動(dòng)通道的閉環(huán)。一般情況下，典型的開式節(jié)流制冷系統(tǒng)主要有高壓氣源、制冷器、純化裝置和真空系統(tǒng)等構(gòu)成。與閉式節(jié)流裝置相比，它具有結(jié)構(gòu)更加簡單、使用方便的特點(diǎn)，但是在實(shí)驗(yàn)中需要有高壓氣源作為制冷工質(zhì)。

3 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

3.1 系統(tǒng)組成

針對(duì)一種MMR節(jié)流制冷器，本實(shí)驗(yàn)室搭建了相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證系統(tǒng)，主要構(gòu)成有高壓氮?dú)庠?、高?/p>

調(diào)節(jié)閥、純化器、MMR微型節(jié)流制冷器、控制器、流量計(jì)、真空設(shè)備等，基本參數(shù)如下。

氣源:高純氮?dú)?純度＞99.99%);高壓調(diào)壓閥:出氣調(diào)壓范圍(最大輸出壓力13 MPa);干燥過濾器:物理吸附型小型干燥過濾器;流量監(jiān)測(cè):浮子型流量計(jì);溫度測(cè)量:Pt100型鉑電阻、數(shù)字表(最低溫度監(jiān)測(cè)30 K);真空泵:渦輪分子泵機(jī)組(真空室內(nèi)真空度可達(dá)1×10-3Pa)。

其中實(shí)驗(yàn)用的MMR微型制冷器為XXX-3型，其基本參數(shù)為:氣體工質(zhì):高純氮?dú)?經(jīng)過濾器過濾后純度達(dá)到99.998%);工作溫度范圍:80—580 K;溫度穩(wěn)定度:≤±0.05 K/30 min;制冷量:250 mW/85 K;制冷器帶真空室質(zhì)量:312 g;真空系統(tǒng):優(yōu)于1×10-1Pa;標(biāo)準(zhǔn)工作壓力:12.2 MPa，最低不小于7.5 MPa。

圖3為該MMR微型節(jié)流制冷系統(tǒng)實(shí)物圖。

圖3 微型節(jié)流制冷系統(tǒng)實(shí)物圖Fig.3 System of XXX-3 MMR

3.2 不同工作壓力下的降溫實(shí)驗(yàn)

在實(shí)驗(yàn)中選取了高純氮?dú)庾鳛橹评涔べ|(zhì)，受到氣源壓力和制冷器耐壓的影響，選取工業(yè)用普通高純氣(純度大于99.999%)作為高壓氣源。氮?dú)獾姆€(wěn)定性和安全性好，且在常溫下可以直接節(jié)流降溫［5］，可以不需要預(yù)冷。通過交接減壓閥門來調(diào)節(jié)進(jìn)入制冷器的壓力，通過熱電阻和浮子流量計(jì)來檢測(cè)制冷溫度和定性的判斷流量。在試驗(yàn)中選取9.8、9.5、8.8 MPa的不同壓力進(jìn)行試驗(yàn)，圖4為不同壓力下的降溫曲線。

圖4 不同壓力下的降溫實(shí)驗(yàn)Fig.4 Expriment on different pressure

從圖4中可以明顯的看出，壓力與降溫時(shí)間存在明顯的關(guān)聯(lián)，工作壓力越大，降溫的時(shí)間越短。在實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，在降溫到77 K左右時(shí)，由于浮子跳動(dòng)特別厲害，浮子流量計(jì)已無法檢測(cè)流量，主要原因是在達(dá)到該溫度是工質(zhì)中部分氮?dú)庖夯兂梢后w，而造成流量的突變。

在回溫的過程中，為了防止微小槽道因劇烈的熱脹冷縮下發(fā)生變形甚至失效，要求在回溫時(shí)仍保持真空環(huán)境，在回溫時(shí)檢測(cè)溫度與真空度的關(guān)系時(shí)，發(fā)現(xiàn)得到在235 K左右真空度會(huì)突然變壞，其原因可能是吸附在真空腔體內(nèi)表面的CO2脫附出來。圖5為回溫時(shí)真空度與溫度之間的曲線。

圖5 真空度與溫度關(guān)系曲線Fig.5 Curve between vacuum value and temperature

3.3 影響制冷器性能的主要因素與分析

微型節(jié)流制冷器MMR是利用實(shí)際氣體的焦耳-湯姆遜效應(yīng)工作的，其影響其工作的因素較多，主要有:工質(zhì)種類、氣體壓力、工作環(huán)境等。由于其氣流槽道微小，因此在工作中通常要求工質(zhì)純度大于99.99%，以免在工作中發(fā)生冰堵現(xiàn)象。節(jié)流制冷由于其效率較低，冷量更顯其珍貴，因此，漏熱損失是所需考慮的重要因素。在MMR節(jié)流制冷器工作時(shí)，其中漏熱損失主要有:

(1)軸向?qū)釗p失:由于換熱器流道和節(jié)流元件尺寸小、壁厚較薄，但是由于流道展開尺寸長，其中氣體在流道中流動(dòng)和換熱情況復(fù)雜，很難計(jì)算器具體數(shù)值。通常都是采用玻璃等低導(dǎo)熱材料來降低該項(xiàng)損失。

(2)輻射損失:由于MMR節(jié)流制冷器的表面溫度不同，因此其輻射量的精確計(jì)算也比較難以計(jì)算，在真空腔體內(nèi)表面鍍銀可以有效的降低輻射損失。

(3)其它損失:氣體流經(jīng)流道的不可逆損失和接觸熱阻損失，以及制冷器與真空腔體連接部分的導(dǎo)熱損失也是其重要的組成部分。在槽道的設(shè)計(jì)中應(yīng)該避免銳角，槽道之間盡量采用圓弧過渡，避免氣體在流動(dòng)過程中造成不必要的壓降。

4 MMR原理性樣機(jī)的設(shè)計(jì)與制造方法

微型節(jié)流制冷器MMR的加工技術(shù)比較復(fù)雜，加工難度較大，主要涉及到微加工技術(shù)以及封裝技術(shù)。為了驗(yàn)證制冷系統(tǒng)可行性方案，采用在不銹鋼基底上用電火花刻蝕微型槽道以及在玻璃基底上用激光刻蝕技術(shù)來驗(yàn)證加工的可行性，以及采用激光焊接于粘接技術(shù)驗(yàn)證封裝工藝的可行性。通過實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，在玻璃基底上刻蝕的槽道封裝技術(shù)比較困難，由于槽道微小采用粘接等封裝工藝后容易造成槽道堵。圖6、圖7為在不銹鋼基底和玻璃基底的刻蝕的槽道。

采用不銹鋼基底材料的槽道經(jīng)過封裝后，搭建了完整的測(cè)試系統(tǒng)，圖8為制冷器的本體與真空腔體部分的剖面圖。

與前面的實(shí)驗(yàn)類似，實(shí)驗(yàn)中進(jìn)行了不同壓力的降溫實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)實(shí)現(xiàn)了基本的制冷效果，圖9為測(cè)試結(jié)果。

圖6 不銹鋼基底材料的槽道Fig.6 Micro-groove on stainless steel

圖7 玻璃基底材料的槽道Fig.7 Micro-groove on glass

圖8 節(jié)流制冷器的剖面圖Fig.8 Cutaway view of stainless steel MMR

對(duì)比XXX-3型節(jié)流制冷器的降溫曲線，可以發(fā)現(xiàn):在不銹鋼基底材料的降溫速率明顯慢于XXX-3型節(jié)流制冷器，主要原因是:不銹鋼材料的導(dǎo)熱系數(shù)大于玻璃材料，因此造成的傳導(dǎo)漏熱遠(yuǎn)大于采用玻璃基底;與XXX-3型相比，由于受到國內(nèi)微型槽道加工水平的封裝工藝的水平的限制，該節(jié)流器的槽道尺寸遠(yuǎn)大于XXX-3型，因此造成節(jié)流效率偏低，損失較明顯，接觸漏熱損失嚴(yán)重;在實(shí)驗(yàn)中采用的壓力也小于XXX-3型，因此在實(shí)驗(yàn)中也造成該節(jié)流器的最低溫度小于XXX-3型。

圖9 不同壓力下的降溫曲線Fig.9 Expriment on different pressure

5 總結(jié)

通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了微型節(jié)流制冷器的功能的實(shí)現(xiàn)，驗(yàn)證了加工以及封裝工藝的可行性，但是限于微型加工技術(shù)以及封裝的困難，實(shí)驗(yàn)的效果并不理想，但是為進(jìn)一步設(shè)計(jì)、加工、封裝提供了新的思路與支持。從試驗(yàn)中可以明顯看出，節(jié)流槽道的尺寸和狀態(tài)與制冷效果關(guān)系密切，在微型節(jié)流制冷器的設(shè)計(jì)與加工中，微槽道的加工與封裝技術(shù)直接影響著制冷器的性能。由于節(jié)流槽道和換熱槽道的尺寸很小，制冷器的加工與微加工技術(shù)關(guān)系密切。并且對(duì)于微型節(jié)流制冷器而言，由于冷量小，應(yīng)盡量減小漏熱，防止冷量的損失。

1 王田剛.MEMS微制冷器MMR技術(shù)研究［D］.蘭州:蘭州物理所，2006.

2 陳國邦湯 珂.小型低溫制冷機(jī)原理［M］.北京:科學(xué)出版社，2010.

3 Yong-Ju，Seong-Je.Cool-down characteristics of a miniature Joule-Thomson refrigerator［J］.Cryogenics，2005，46:391-395.

4 Xue H，Ng K C，Wang J B.Performance evaluation of recuperative heat exchanger in a miniature Joule-Thomson cooler［J］.Applied Thermal Engineering，2001.

5 Little W A.Recent development in Joule-Thomson cooling gases，coolers and compressors［C］.Proc of 5thInternational Cryocooler Conferce，1988.

Performance evaluation and experiment on a Miniature Joule-Thomson cooler

Wang Tiangang Sun Shuze Yan Chunjie Huo Yingjie Xuo Guotai

(Science and Technology on Vacuum ＆Cryogenics Technology and Physics Laboratory，Lanzhou Institute of Physics，Lanzhou 730000，China)

Research on experiment verification and performance analysis of a miniature Joule-Thomson cooler(MMR)was conducted，working principle was described and experiment result was analyzed.It is found that the performance of MMR was affected by many factors，while the working pressure of refrigerant had significant effect on performance of the cooler.The design and implementing scheme of developing theoretical sample of MMR were put forward;the newly designed throttling refrigerator was studied by experiments and the cause of difference between two throttling refrigerators was analyzed.

miniature Joule-Thomson cooler;experimental data;performance evaluation

TB657

A

1000-6516(2011)05-0061-04

2011-04-20;

2011-09-26

中國航天科技集團(tuán)公司創(chuàng)新基金YJT0202項(xiàng)目支持。

王田剛，男，34歲，碩士，工程師。