(上海理工大學(xué)能源與動(dòng)力工程學(xué)院 上海 200093)

隨著電子產(chǎn)品日益小型化，小空間內(nèi)快速制冷技術(shù)得到了國(guó)內(nèi)外學(xué)者的廣泛關(guān)注。微小型J-T效應(yīng)節(jié)流制冷器作為低溫制冷器中的一種，其特點(diǎn)在于體積小、降溫時(shí)間短、無(wú)運(yùn)動(dòng)部件。氣體在制冷器內(nèi)為穩(wěn)定流動(dòng)，因此制冷過(guò)程中振動(dòng)小、噪聲低，這對(duì)冷卻高靈敏的電子和光學(xué)元件尤為重要。早期主要應(yīng)用于軍事、航空航天等高科技領(lǐng)域。近些年，隨著加工工藝的發(fā)展，微小型J-T效應(yīng)節(jié)流制冷器逐漸應(yīng)用于低溫手術(shù)治療、電子設(shè)備冷卻等民用領(lǐng)域。

J-T效應(yīng)節(jié)流制冷器的基本原理是根據(jù)微分節(jié)流效應(yīng)，一些實(shí)際氣體在焦耳-湯姆遜系數(shù)αh為正值的狀態(tài)下，經(jīng)過(guò)節(jié)流過(guò)程，溫度隨著壓力降低而下降。微小型J-T效應(yīng)節(jié)流制冷器主要由回?zé)釗Q熱器、節(jié)流元件、蒸發(fā)腔3部分組成，高壓氣體在回?zé)釗Q熱器中通過(guò)與低壓回氣逆流換熱對(duì)高壓氣體進(jìn)行預(yù)冷，預(yù)冷后的高壓氣體通過(guò)節(jié)流裝置后，溫度隨著壓力的突降而迅速下降。降溫后的工質(zhì)在蒸發(fā)腔內(nèi)受到熱負(fù)荷的加熱而蒸發(fā)，蒸發(fā)后的低壓氣體進(jìn)入回?zé)釗Q熱器的低壓通道與高壓氣體進(jìn)行換熱。

近年來(lái)，隨著加工工藝的進(jìn)步和應(yīng)用領(lǐng)域的拓展，國(guó)內(nèi)外研究人員對(duì)微小型J-T效應(yīng)節(jié)流制冷器結(jié)構(gòu)的實(shí)驗(yàn)研究、理論分析優(yōu)化等方面做了大量的研究，這些研究均有力推動(dòng)了微小型J-T效應(yīng)節(jié)流制冷器的發(fā)展。本文對(duì)微小型J-T效應(yīng)節(jié)流制冷器的結(jié)構(gòu)及理論研究方面做了綜述分析，在分析有關(guān)文獻(xiàn)的基礎(chǔ)上對(duì)微小型J-T效應(yīng)節(jié)流制冷器的發(fā)展方向做了進(jìn)一步的展望。

1 微小型J-T效應(yīng)節(jié)流制冷器結(jié)構(gòu)演變

J-T效應(yīng)節(jié)流制冷器中回?zé)釗Q熱器主要以螺旋翅片管式居多，也出現(xiàn)了套管式、平板式、微通道等型式的回?zé)釗Q熱器。節(jié)流元件作為制冷器中主要的降溫裝置，結(jié)構(gòu)型式有：微孔、多孔粉末冶金片、毛細(xì)管與微通道等。蒸發(fā)腔外形結(jié)構(gòu)一般為柱形、塔形和平板式等。制冷器按氣流的控制方式可分為自調(diào)式和開(kāi)放式。

結(jié)合微小型J-T效應(yīng)節(jié)流制冷器結(jié)構(gòu)演化及應(yīng)用的發(fā)展，本節(jié)闡述了以下內(nèi)容：1)概括了早期用于液化工質(zhì)、系統(tǒng)較復(fù)雜的J-T效應(yīng)節(jié)流制冷器；2)概括了目前應(yīng)用較廣泛的、結(jié)構(gòu)一體化的漢普遜型J-T效應(yīng)節(jié)流制冷器；3)隨著一些特殊領(lǐng)域的應(yīng)用需求，總結(jié)了一些相應(yīng)的形式多樣的特殊結(jié)構(gòu)型式的J-T效應(yīng)節(jié)流制冷器；4)隨著微加工工藝的進(jìn)步，分析了目前研究比較熱門的微通道型J-T效應(yīng)節(jié)流制冷器。

1.1 液化用J-T效應(yīng)節(jié)流制冷器

早期的J-T效應(yīng)節(jié)流制冷器多用于液化沸點(diǎn)極低的氣體工質(zhì)(如He、Ne等)和對(duì)其液化后的存儲(chǔ)。例如D.H.Parkinson[1]在1960年設(shè)計(jì)了一款J-T效應(yīng)節(jié)流液化器(圖1)。高壓氦氣通過(guò)兩級(jí)液浴預(yù)冷裝置A、B后溫度降低至14 K。降溫后的高壓氦氣通過(guò)C中的銅管與返流低壓氣體換熱再次預(yù)冷，隨后進(jìn)入J-T節(jié)流閥冷卻至4.2 K，液化速率為8.0 L/h。

圖1 氦氣J-T效應(yīng)節(jié)流液化器[1]Fig.1 Helium J-T effect throttle liquefier

1966年，A.Gladun[2]對(duì)一款J-T效應(yīng)節(jié)流制冷器進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，結(jié)構(gòu)如圖2(a)所示。工質(zhì)(Ne)由一個(gè)換熱器與低溫池(液態(tài)氮，氬或氧)進(jìn)行預(yù)冷，隨后依次通過(guò)兩個(gè)可調(diào)節(jié)流閥膨脹，返流的低壓氣體預(yù)冷入流的高壓氣體。在20 MPa的壓降下，能達(dá)到30～90 K的低溫。J.D.Daunt 等[3]于1970年設(shè)計(jì)了一款He-3液化J-T效應(yīng)節(jié)流制冷器，如圖2(b)所示。0.41 MPa的He-3從閥1進(jìn)入，依次流過(guò)上層換熱器、螺旋預(yù)冷器、J-T換熱器(螺旋管預(yù)冷器和J-T膨脹閥)。其中，螺旋管預(yù)冷器浸沒(méi)在4.2 K的He-4中。預(yù)冷后的氣體經(jīng)過(guò)J-T膨脹閥節(jié)流，液化的He-3向下流入液化池。在最大體積流量為14 L/min下，制冷量在3.2 K時(shí)為230 mW。

對(duì)于液化用J-T效應(yīng)節(jié)流制冷器，為了達(dá)到工質(zhì)極低的沸點(diǎn)溫度，一般均需采用多級(jí)預(yù)冷換熱裝置，導(dǎo)致整個(gè)制冷系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，體積較大。預(yù)冷裝置一般選用管程長(zhǎng)、換熱效率較高、結(jié)構(gòu)緊湊的螺旋管換熱器，將其浸泡在液浴(N2、O2、Ar、H2等)中，預(yù)冷后達(dá)到較低的溫度后，進(jìn)入可調(diào)節(jié)式J-T閥進(jìn)一步降溫，達(dá)到最終穩(wěn)定溫度。

1.2 漢普遜型J-T效應(yīng)節(jié)流制冷器

隨著激光、紅外制導(dǎo)、低溫醫(yī)學(xué)手術(shù)等技術(shù)的發(fā)展，J-T效應(yīng)節(jié)流制冷器的應(yīng)用領(lǐng)域得到了充分的拓展。為了進(jìn)一步提高制冷器中高壓氣體與低壓返流氣體間的換熱性能，普遍采用在回?zé)崧菪芡獗砻嫔咸砑映崞纬陕菪崞?，纏繞于中間芯軸上形成新型結(jié)構(gòu)的制冷器，即漢普遜型J-T效應(yīng)節(jié)流制冷器，典型結(jié)構(gòu)如圖3(a)[4]所示。翅片管內(nèi)為流入的高壓氣體，管外為低壓返流氣體。高壓氣體經(jīng)過(guò)低壓返流回氣預(yù)冷后進(jìn)入制冷器的節(jié)流裝置，通過(guò)工質(zhì)的J-T效應(yīng)降壓降溫。S.W.Stephens[5]于1968年將一款小型J-T效應(yīng)節(jié)流制冷器用于冷卻紅外探測(cè)元件，如圖3(b)所示，該試件具有漢普遜型結(jié)構(gòu)特征。他們?cè)谥评淦鞯墓?jié)流閥出口處添加吸附器以防止工質(zhì)在節(jié)流時(shí)發(fā)生相變堵塞。

圖2 Ne工質(zhì)和He-3液化J-T效應(yīng)節(jié)流制冷器的結(jié)構(gòu)Fig.2 The structure of the Ne and He-3 liquefier J-T effect throttle cryocooler

圖3 漢普遜型J-T效應(yīng)節(jié)流制冷器的結(jié)構(gòu)Fig.3 The structure of Hampson type J-T effect throttle cryocooler

用于評(píng)價(jià)J-T效應(yīng)節(jié)流制冷器的性能參數(shù)主要包括制冷量和冷端溫度，為了獲得更好的制冷效果，學(xué)者們進(jìn)行了各種嘗試。制冷量的主要影響因素之一為工質(zhì)流量，2006年，H.T.Chua等[6]為了增大制冷器質(zhì)量流量，螺旋翅片管采用平行雙螺旋結(jié)構(gòu)。H.Skye等[7]為了獲得更低的冷端溫度，于2009年設(shè)計(jì)了一款二階制冷的J-T效應(yīng)冷刀(圖4)。階段1的高壓氣體通過(guò)節(jié)流小孔預(yù)冷螺旋管內(nèi)階段2入流高壓氣體至240 K，高壓氣體在階段2受到返流的低壓氣體二次預(yù)冷，隨后進(jìn)入頭部節(jié)流元件降溫至150～180 K。

為解決由于工質(zhì)流量不穩(wěn)定而引起的節(jié)流后溫度的波動(dòng)問(wèn)題，1999年，S.B.Chien等[8]研究了一款自調(diào)式J-T效應(yīng)節(jié)流制冷器(圖5)。工作原理：在封閉腔內(nèi)充入一定壓力的氣體，工作時(shí)溫敏性波紋管隨著冷端溫度的波動(dòng)帶動(dòng)針閥機(jī)構(gòu)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)制冷器質(zhì)量流量的調(diào)節(jié)，在保證冷端溫度的前提下，可將工質(zhì)多余的質(zhì)量流量降到最低。實(shí)驗(yàn)表明冷端溫度波動(dòng)范圍能控制在83.8～88.2 K內(nèi)。

圖4 兩級(jí)冷凍探頭原理[7]Fig.4 The principle of the two-stage cryoprobe showing primary components and fluid flow paths

圖5 波紋管自調(diào)節(jié)J-T效應(yīng)節(jié)流制冷器[8]Fig.5 The bellows control self-regulating J-T effect throttle cryocooler

2014年，B.Z.Maytal[9]將漢普遜型J-T效應(yīng)節(jié)流制冷器的回?zé)岵糠峙c節(jié)流部分結(jié)合，不設(shè)單獨(dú)的節(jié)流裝置，以沿回?zé)釗Q熱段管壁摩擦壓降引起的分布式J-T效應(yīng)代替節(jié)流閥產(chǎn)生的集中式J-T效應(yīng)。并分別對(duì)單層與雙層試件進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)測(cè)試。結(jié)果表明：雙層且螺旋管尺寸較小的試件降溫速度最快，能達(dá)到66 K的冷端溫度。

漢普遜型J-T效應(yīng)節(jié)流制冷器從前期的單一結(jié)構(gòu)演變?yōu)槎嗉?jí)預(yù)冷、多螺旋通道并行運(yùn)行以滿足更低溫區(qū)和更大制冷量的要求。研究人員對(duì)其進(jìn)行了多方面的優(yōu)化改進(jìn)，技術(shù)較成熟，已經(jīng)成功在商業(yè)上獲得了推廣和應(yīng)用。然而，螺旋翅片管特殊的結(jié)構(gòu)也限制了工質(zhì)流量和制冷量的進(jìn)一步增大，且在很多應(yīng)用場(chǎng)合需多件并用。這些因素影響了漢普遜型J-T效應(yīng)節(jié)流制冷器的進(jìn)一步發(fā)展。

1.3 特殊結(jié)構(gòu)型式J-T效應(yīng)節(jié)流制冷器

為了滿足更廣闊的市場(chǎng)需求，提高制冷器性能，在漢普遜型J-T效應(yīng)節(jié)流制冷器的技術(shù)基礎(chǔ)上，出現(xiàn)了多種特殊結(jié)構(gòu)型式的微小型J-T效應(yīng)節(jié)流制冷器的探索與研究成果。

圖6 用于探測(cè)器的J-T效應(yīng)節(jié)流制冷器Fig.6 The J-T effect throttle cryocooler for detector

隨著紅外探測(cè)技術(shù)的快速發(fā)展，J-T效應(yīng)節(jié)流制冷器廣泛應(yīng)用于紅外探測(cè)器組件中。由于紅外導(dǎo)引頭特殊的工作環(huán)境，以及對(duì)溫控系統(tǒng)的高精度要求，制冷器的設(shè)計(jì)應(yīng)盡量短小化、緊湊化且能快速制冷。2000年，某公司研發(fā)了一款平板式J-T效應(yīng)節(jié)流制冷器應(yīng)用于探測(cè)器，如圖6(a)所示。該制冷器采用單氣管4a，4b雙螺旋，沿漸開(kāi)線溝槽2盤繞至中心膨脹腔3，高壓氣體從針孔6噴出，低壓氣體沿漸開(kāi)線2形成回氣冷卻氣管及溝槽結(jié)構(gòu)，直至針孔6噴出液氬，將探測(cè)器冷卻至工作溫度[10]。為使制冷器能夠滿足快速降溫的目的，2003年，德國(guó)BGT公司研制了雙氣路J-T效應(yīng)節(jié)流制冷器，如圖6(b)所示，雙氣路J-T效應(yīng)節(jié)流制冷器的不同之處在于，輔助級(jí)采用節(jié)流效率更高、比熱更大的氣體工質(zhì)來(lái)提高換熱效率，如制冷劑R14(CF4)，使主路氬氣更快地預(yù)冷至約150 K。實(shí)驗(yàn)表明，雙氣路J-T效應(yīng)節(jié)流制冷器達(dá)到100 K冷端溫度所需冷卻時(shí)間：1)環(huán)境溫度22 ℃時(shí)，小于1.6 s；2)環(huán)境溫度50 ℃時(shí)，小于2.5 s；3)穩(wěn)態(tài)溫度(87±3)K[10]。對(duì)于需要自調(diào)節(jié)的J-T效應(yīng)節(jié)流制冷器，前期常用波紋管作為控制部件。隨著記憶合金的出現(xiàn)，多采用記憶材料來(lái)控制質(zhì)量流量，特點(diǎn)在于能夠兼顧快速啟動(dòng)與自動(dòng)調(diào)節(jié)。2012年，姚青華[11]設(shè)計(jì)了一款錐形節(jié)流制冷器應(yīng)用于紅焦平面探測(cè)器，如圖6(c)所示。通過(guò)聚酰亞胺材料本身在低溫下變形縮小、在常溫或高溫范圍(60 ℃)內(nèi)恢復(fù)原狀以形成位移量，達(dá)到快速控制流量的目的。

對(duì)于微小型J-T效應(yīng)節(jié)流制冷器，不同型式的回?zé)釗Q熱器傳熱性能也是一個(gè)重要研究方向。1998年，H.J.Holland等[12]制作了兩款回?zé)衢L(zhǎng)度不同(270、105 mm)的套管式J-T效應(yīng)節(jié)流制冷器，逆流換熱器的外管尖端由小的密封塞封閉，將NiCr金屬絲放置在內(nèi)管的頂端形成節(jié)流閥(圖7)。以10 MPa的氮?dú)鉃楣べ|(zhì)，兩款套管式J-T效應(yīng)節(jié)流制冷器的質(zhì)量流量分別為4.2×10-6、2.3×10-6kg/s時(shí)，冷端均能達(dá)到82 K的最低溫度。

2010年，M.H.Lin等[13]實(shí)驗(yàn)研究了一款管中套管的玻璃毛細(xì)管微型J-T效應(yīng)節(jié)流制冷器，試件玻璃毛細(xì)管中內(nèi)置6個(gè)中空玻璃纖維管，玻璃纖維管內(nèi)為高壓來(lái)流，小管與大管間為低壓返流，頂端為平板，節(jié)流元件為J-T膨脹閥，結(jié)構(gòu)如圖8(a)所示。以高壓1.6 MPa、低壓0.1 MPa的混合物為工質(zhì)，在摩爾流量為11 μmol/s時(shí)，能穩(wěn)定到140 K，最低瞬間溫度可達(dá)76 K。同年，A.Widyaparaga等[14]制作了一款回?zé)岫螢檐浘€型同心逆流換熱器的微型J-T效應(yīng)節(jié)流制冷器，如圖8(b)所示。外層材料為聚醚醚酮，內(nèi)層為同心不銹鋼。采用換熱和流動(dòng)經(jīng)驗(yàn)關(guān)聯(lián)式分別計(jì)算了此微小型J-T效應(yīng)節(jié)流制冷器流量和頂部溫度，并且與實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了對(duì)比，結(jié)果表明在此裝置中J-T效應(yīng)相比于回?zé)釗Q熱對(duì)制冷的影響更為重要。2015年，Gong Maoqiong等[15]分別以殼管式換熱器，板翅式換熱器作為制冷器中回?zé)釗Q熱器進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究。相同工況下，前者在無(wú)熱負(fù)載時(shí)達(dá)到140 K，后者在無(wú)熱負(fù)載時(shí)能達(dá)到110 K，且在118 K的冷端溫度下，有4 W的制冷量。

圖7 套管式J-T效應(yīng)節(jié)流制冷器結(jié)構(gòu)[12]Fig.7 Structure of the tube-in-tube J-T effect throttle cryocooler

圖8 多套管和軟線型同心逆流微型J-T效應(yīng)節(jié)流制冷器的結(jié)構(gòu)Fig.8 The structure of multi casing and wire type J-T effect throttle cryocooler

B.Eugeniusz等[16]提出了一種燒結(jié)粉末換熱J-T效應(yīng)節(jié)流制冷器，如圖9(a)所示。中間毛細(xì)管內(nèi)為高壓入流氣體，低壓氣體通過(guò)周邊粉末形狀結(jié)構(gòu)返流，粉末顆粒粒徑為0.4～0.8 mm。實(shí)驗(yàn)表明，15 MPa的氬氣與氮?dú)饨抵晾鋮s溫度(78、90 K)所用的時(shí)間分別為230、150 s。2006年，A.Dvornitsyn等[17]將工質(zhì)的J-T效應(yīng)與升華相結(jié)合，提出了一款升華型J-T效應(yīng)節(jié)流制冷器，如圖9(b)所示。低溫腔的底部為固體CO2，升華吸收負(fù)載熱量，升華后的CO2氣體通過(guò)多孔底盤，產(chǎn)生J-T效應(yīng)二次制冷，氣瓶?jī)?nèi)儲(chǔ)存高壓液態(tài)CO2，實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)為開(kāi)式系統(tǒng)。結(jié)果表明，制冷器在200～210 K的低溫下，可提供1～20 W的制冷量。

圖9 燒結(jié)粉末換熱和升華J-T效應(yīng)制冷器的結(jié)構(gòu)Fig.9 The structure of the sintered powder heat transfer and sublimation type J-T effect throttle cryocooler

2015年，王昂等[18]基于3D打印技術(shù)設(shè)計(jì)制作了一款通道特征尺寸為0.1 mm的微小型J-T效應(yīng)節(jié)流制冷器，其回?zé)釗Q熱段結(jié)構(gòu)型式為互不相連的針肋型，如圖10所示。該結(jié)構(gòu)可有效減少制冷器軸向?qū)釋?dǎo)致的冷量損失。通過(guò)初步實(shí)驗(yàn)表明，以混合工質(zhì)為制冷劑能達(dá)到230 K的溫區(qū)。

圖10 針肋流動(dòng)換熱模型[18]Fig.10 Pin fins flow heat transfer model

節(jié)流元件與蒸發(fā)器的型式也是影響制冷器性能的重要因素?；诳焖俳禍氐囊?，1968年，S.W.Stephens[5]通過(guò)對(duì)比分析得出頭部夾角為90°的錐形J-T效應(yīng)節(jié)流制冷器降溫速度最快，如圖11(a)所示，入口壓力為40.53 MPa的氬氣在2 s內(nèi)液化。2004年，C.G.Paine[19]實(shí)驗(yàn)研究了微孔通道的J-T效應(yīng)，如圖11(b)所示，節(jié)流圓孔直徑為1.5 mm，長(zhǎng)度為1.8 mm，4.84 MPa的氫氣在20～25 min內(nèi)冷卻至19 K。2014年，C.Lee等[20]針對(duì)大隱靜脈手術(shù)(GSVs)的治療，設(shè)計(jì)了一款閉環(huán)J-T冷凍消融探針，通過(guò)沿長(zhǎng)度方向采用多個(gè)膨脹部件實(shí)現(xiàn)在大面積內(nèi)提供均勻的制冷。并對(duì)試件長(zhǎng)度方向制冷性能進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，結(jié)果表明，各熱電偶測(cè)點(diǎn)之間溫度差異不大，如圖11(c)所示。

圖11 錐形、微孔通道和冷凍消融探針J-T效應(yīng)節(jié)流制冷器的結(jié)構(gòu)Fig.11 The structure of cone,micropore channel and cryoablation probe J-T effect throttle cryocooler

微小型J-T節(jié)流制冷器的性能指標(biāo)主要包括降溫速率、流量穩(wěn)定性、制冷量以及工作溫區(qū)?；诓煌瑧?yīng)用領(lǐng)域，對(duì)制冷器的性能有不同的要求，結(jié)果表明：采用多氣流通道、以及制冷器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)為錐形均能有效達(dá)到快速制冷；采用波紋管或記憶合金控制J-T閥可有效穩(wěn)定工質(zhì)流量；制冷器采用不同的回?zé)釗Q熱器對(duì)其冷端溫度及制冷量均有較大影響?？梢灶A(yù)見(jiàn)，隨著應(yīng)用領(lǐng)域的拓展，將會(huì)出現(xiàn)可滿足特定要求的J-T效應(yīng)節(jié)流制冷器。

1.4 刻蝕微通道J-T效應(yīng)節(jié)流制冷器

近年來(lái)，隨著微加工工藝的不斷進(jìn)步，出現(xiàn)了刻蝕微通道J-T效應(yīng)節(jié)流制冷器，而且型式多樣。試件材料有玻璃、硅片等。1982年，美國(guó)斯坦福大學(xué)的W.A.Little[21]首次成功研制出一種以玻璃為材料、基于光刻蝕技術(shù)制造的微小型J-T效應(yīng)節(jié)流制冷器(圖12)，刻蝕的微細(xì)槽道為幾到幾十微米。以氮?dú)鉃楣べ|(zhì)對(duì)制冷器進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究，在10.1 MPa的入口壓力下經(jīng)過(guò)7.5 min，冷端溫度在83 K時(shí)制冷器的制冷量為250 mW。

荷蘭屯特大學(xué)課題組對(duì)刻蝕微通道J-T效應(yīng)節(jié)流制冷器的結(jié)構(gòu)參數(shù)基于多個(gè)方面進(jìn)行了深入的優(yōu)化分析，在他們的試件中，均以硅片作為制冷器材料。2004年，P.P.P.M.Lerou等[22]設(shè)計(jì)制作了一款錯(cuò)流微通道J-T效應(yīng)制冷器，上層返流低壓氣體預(yù)冷下層入流的高壓氣體，回?zé)釗Q熱器與節(jié)流閥通道尺寸分別為：8.9×1.5×0.03 mm3、0.083 ×1×(3×10-4)mm3，結(jié)構(gòu)如圖13所示。以氮?dú)鉃閷?shí)驗(yàn)工質(zhì)，在8 MPa的入口壓力下，冷端溫度溫度在97 K時(shí)制冷器有4.57 mW的制冷量。

圖12 以玻璃為材料的刻蝕微通道J-T效應(yīng)節(jié)流制冷器的結(jié)構(gòu)[21]Fig.12 The structure of J-T effect throttle cryocooler with etched microchannel made of glass

圖13 逆流微通道J-T效應(yīng)節(jié)流制冷器的結(jié)構(gòu)[22]Fig.13 The structure of the countercurrent microchannel J-T effect throttle cryocooler

2005年，P.P.P.M.Lerou等[23]從減少熵增的角度對(duì)J-T效應(yīng)節(jié)流制冷器的逆流換熱器結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，建立數(shù)學(xué)模型通過(guò)制冷量、壓降、COP等指標(biāo)對(duì)通道的長(zhǎng)、寬、高進(jìn)行了優(yōu)化。得到了兩組優(yōu)化結(jié)果。隨后2007年，P.P.P.M.Lerou等[24]采用優(yōu)化后的尺寸重新制作了試件，為了增強(qiáng)試件的承壓能力，在試件通道中添加了具有一定密度的順排立柱。

為了使制冷器冷端溫度達(dá)到更低的溫區(qū)，2012年，H.S.Cao等[25]設(shè)計(jì)了一種二級(jí)刻蝕微通道J-T效應(yīng)節(jié)流制冷器，該制冷器由3層玻璃薄片組成，試件最外側(cè)有一層鍍金層以減少制冷器的漏熱損失。預(yù)冷循環(huán)刻蝕在中層，制冷循環(huán)刻蝕在底層。一階以N2為工質(zhì)預(yù)冷二階節(jié)流制冷的H2，通過(guò)所建立的動(dòng)態(tài)有限元模型分析了該J-T效應(yīng)節(jié)流制冷器的制冷性能，并計(jì)算得到能滿足制冷要求(第二級(jí)冷端溫度28 K)的該種制冷器所能達(dá)到的最小尺寸(20.4×85.8×0.72 mm3)。圖14所示為該刻蝕微通道J-T效應(yīng)節(jié)流制冷器的結(jié)構(gòu)。

圖14 二級(jí)刻蝕微通道J-T效應(yīng)節(jié)流制冷器的結(jié)構(gòu)[25]Fig.14 The structure of two-stage etched microchannel J-T effect throttle cryocooler

2016年，H.S.Cao等[26]制作了平行兩級(jí)節(jié)流的微通道J-T效應(yīng)節(jié)流制冷器(見(jiàn)圖15，其中CFHX表示逆流回?zé)釗Q熱器)試件以N2作為各階循環(huán)工質(zhì)，大部分N2通過(guò)第一階段節(jié)流降溫后，通過(guò)上層板片返回預(yù)冷入流高壓氣體，剩下的氣體通過(guò)二階段節(jié)流，達(dá)到更低的制冷溫度。通過(guò)實(shí)驗(yàn)表明，當(dāng)?shù)獨(dú)鈮毫Ψ謩e從8.0 MPa和8.5 MPa降至0.1 MPa時(shí)，制冷器溫度從295 K降至83 K所需時(shí)間分別為12 min和9 min，制冷量分別為88 mW和98 mW。

為了對(duì)制冷系統(tǒng)中工質(zhì)流量進(jìn)行實(shí)時(shí)控制，2011年，W.Zhu等[27]設(shè)計(jì)了一種具有微機(jī)械Si/玻璃穿孔板換熱器和壓電閥的J-T效應(yīng)節(jié)流冷卻系統(tǒng)，如圖16所示，換熱結(jié)構(gòu)采用硅和耐熱玻璃依次疊層，通過(guò)壓電驅(qū)動(dòng)的微機(jī)械閥控制氣體的節(jié)流膨脹。該系統(tǒng)在228 K時(shí)制冷量為200 mW，在239 K時(shí)為1 W，寄生熱負(fù)荷為300～500 mW。

圖15 平行兩級(jí)J-T效應(yīng)節(jié)流制冷器結(jié)構(gòu)[26]Fig.15 The structure of the parallel two stage J-T effect throttle cryocooler

圖16 壓電閥微通道J-T效應(yīng)節(jié)流制冷器的結(jié)構(gòu)[27]Fig.16 The structure of the piezoelectric valve microchannel of the J-T effect throttle cryocooler[27]

圖17 矩形平板式和圓盤式刻蝕微通道J-T效應(yīng)節(jié)流制冷器的結(jié)構(gòu)[28]Fig.17 The structure of the rectangular and disk microchannel J-T effect throttle cryocooler

以玻璃作為制冷器試件材料的主要優(yōu)點(diǎn)在于玻璃材料軸向?qū)釋?duì)制冷器性能的影響較小。由于玻璃等非金屬材料的承壓能力有限，不能滿足高壓工況條件，而工質(zhì)入口壓力越高，節(jié)流效果越好。隨著印刷電路板工藝與原子擴(kuò)散融合技術(shù)的發(fā)展，出現(xiàn)了能夠承受高壓的不銹鋼等材料的印刷電路板換熱器。1992年，E.Mikulin等[28]采用這種技術(shù)，制作了兩種刻蝕微通道J-T效應(yīng)節(jié)流制冷器(圖17)。圖17(a)為矩形平板式制冷器，由3塊平板構(gòu)成：兩個(gè)結(jié)構(gòu)相同厚度為0.3 mm的不銹鋼板及其之間厚0.2 mm的銅板，每個(gè)鋼板刻一個(gè)2.25 mm×0.12 mm的Z型通道作為低壓通道，0.65 mm×0.13 mm的長(zhǎng)方形通道作為高壓通道。圖17(b)為圓盤式制冷器，它僅含有一塊刻蝕板且被0.13 mm厚的鋼板覆蓋形成螺旋形通道?；?zé)崤c節(jié)流通道截面分別為0.5 mm×0.135 mm與0.2 mm×0.12 mm。

1999年，S.P.Narayanan等[29]將回?zé)?、?jié)流與蒸發(fā)區(qū)刻在不銹鋼薄板上，為了降低通道長(zhǎng)度，換熱器通道采用繞流結(jié)構(gòu)，如圖18(a)所示。試件厚度為1～2 mm，總長(zhǎng)度為50～100 mm，通道為矩形，寬×高為200×30 μm2。實(shí)驗(yàn)表明，在50～150 K的冷端溫度下有10～1 000 mW的制冷量。2015年，Gong Maoqiong等[15]采用線切割方法，在不銹鋼板兩側(cè)加工平行矩形微槽道，制作了回?zé)岫螢榘宄崾綋Q熱器的J-T效應(yīng)節(jié)流制冷器，結(jié)構(gòu)如圖18(b)所示。制冷器的低壓通道的翅片高度為3 mm，高壓通道為2.5 mm。翅片的寬度為0.3 mm，兩個(gè)鰭之間的尺寸為0.2 mm。在換熱器上每隔30 mm有一個(gè)橫向槽，以消除軸向熱傳導(dǎo)。在各入口附近，橫向槽間距為5 mm，以減小入口流效應(yīng)和分布不均勻性。以烴和氮?dú)饨M成混合制冷劑作為實(shí)驗(yàn)工質(zhì)，能夠達(dá)到120 K的最低溫度。

圖18 繞流微通道和板翅式換熱器型J-T效應(yīng)節(jié)流制冷器的結(jié)構(gòu)Fig.18 The structure of the stream microchannel and plate-fin heat exchanger type J-T effect throttle cryocooler

2016年，王文卿等[30-31]以不銹鋼為原材料，設(shè)計(jì)制作了疊層矩形微通道和微圓柱群J-T效應(yīng)節(jié)流制冷器，試件外形如圖19(a)所示。在矩形試件中設(shè)置高低壓通道各6層交叉疊放、每層刻蝕6條平行的矩形槽道，兩片薄板鏡像重合形成一層完整的通道，各通道對(duì)應(yīng)一條尺寸更小的節(jié)流微槽道作為節(jié)流裝置。如圖19(b)，其中回?zé)岫瓮ǖ莱叽鐬椋?.55×0.4×100 mm3。節(jié)流段長(zhǎng)40 mm，采用當(dāng)量直徑為0.12 mm的矩形通道。結(jié)果表明，以7 MPa的氬氣作為制冷工質(zhì)，能達(dá)到-95 ℃的冷端溫度。2017年，王文卿等[52]基于降低制冷器試件軸向?qū)岬哪康?，設(shè)計(jì)制作了微圓柱群制冷器，如圖19(c)，該試件回?zé)峁?jié)流段采用圓心距為0.75 mm的叉排微圓柱群結(jié)構(gòu)可同時(shí)實(shí)現(xiàn)預(yù)冷與節(jié)流作用，以氬氣為工質(zhì)對(duì)其進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究，在5 MPa的進(jìn)氣壓力下能達(dá)到-82.3 ℃的穩(wěn)定溫度。

圖19 疊層微通道J-T效應(yīng)節(jié)流制冷器結(jié)構(gòu)[30-31,52]Fig.19 The structure of multilayer microchannel J-T effect throttle cryocooler

微通道型J-T效應(yīng)節(jié)流制冷器由于其通道比表面積大、換熱強(qiáng)度高等特點(diǎn)，近些年發(fā)展迅速。早期的微通道J-T效應(yīng)節(jié)流制冷器結(jié)構(gòu)較簡(jiǎn)單，試件大多以硅片或玻璃等為原材料通過(guò)光刻技術(shù)制得，通道結(jié)構(gòu)多為單個(gè)矩形通道。隨著印刷電路板工藝和原子擴(kuò)散融合焊接技術(shù)的發(fā)展，出現(xiàn)了以不銹鋼等金屬為材料的J-T效應(yīng)節(jié)流制冷器，其特點(diǎn)在于可根據(jù)需求適當(dāng)增加通道層數(shù)、層內(nèi)通道數(shù)，以實(shí)現(xiàn)并行放大制冷量；通過(guò)通道設(shè)計(jì)還可實(shí)現(xiàn)多級(jí)制冷、進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)了制冷器試件結(jié)構(gòu)的多樣化。然而，對(duì)于金屬材料所產(chǎn)生的軸向?qū)帷⒃嚰獠康穆釗p失等不利影響，也是微小型J-T效應(yīng)節(jié)流制冷器不得不考慮的因素。另外，微通道換熱器的流動(dòng)與換熱規(guī)律還需再深入研究。隨著更多學(xué)者的參與，將會(huì)出現(xiàn)多樣化的結(jié)構(gòu)型式，期待微通道J-T效應(yīng)節(jié)流制冷器能應(yīng)用于更加廣泛的領(lǐng)域。

2 J-T效應(yīng)節(jié)流制冷器理論研究

為了預(yù)測(cè)J-T效應(yīng)節(jié)流制冷器的性能、優(yōu)化試件的結(jié)構(gòu)，諸多學(xué)者對(duì)J-T效應(yīng)節(jié)流制冷器進(jìn)行了理論分析，理論模型大多以高低壓流體的質(zhì)量守恒方程、動(dòng)量方程、能量方程以及制冷器材料的能量方程為控制方程組，傳熱與流動(dòng)規(guī)律均視為一維方向。模型中選用的傳熱與摩擦系數(shù)分別由相應(yīng)的流動(dòng)與換熱關(guān)聯(lián)式計(jì)算得到。

本節(jié)針對(duì)第1節(jié)中微小型J-T效應(yīng)節(jié)流制冷器結(jié)構(gòu)演變的邏輯與順序，總結(jié)分析了漢普遜型J-T效應(yīng)節(jié)流制冷器的理論模型研究；并在此基礎(chǔ)上，介紹了一些特殊結(jié)構(gòu)型式J-T效應(yīng)節(jié)流制冷器的模型特點(diǎn)；最后重點(diǎn)分析了形式多樣的微通道J-T效應(yīng)節(jié)流制冷器理論研究的現(xiàn)狀與各自特點(diǎn)。

漢普遜型J-T效應(yīng)節(jié)流制冷器作為最廣泛使用的J-T效應(yīng)節(jié)流制冷器，對(duì)其進(jìn)行的理論研究較多。一個(gè)理想的數(shù)學(xué)模型在建立高低壓流體、固體材料組成的控制方程組時(shí)，應(yīng)該考慮實(shí)際過(guò)程中各個(gè)因素的影響，主要包括：固體材料軸向?qū)?、低溫外壁面與周圍環(huán)境的輻射與對(duì)流換熱量、高低壓流體物性參數(shù)隨溫度與壓力的變化、漢普遜型制冷器復(fù)雜的幾何尺寸、中低溫下工質(zhì)相變導(dǎo)致的阻塞問(wèn)題等。但是，在實(shí)際建模過(guò)程中，很難同時(shí)考慮以上各方面因素的影響。因此，在建立數(shù)學(xué)模型時(shí)，均存在不同程度的簡(jiǎn)化。

1995年，F(xiàn).C.Chou等[32]在絕熱條件與忽略軸向?qū)岬募僭O(shè)下，用一維瞬變模型研究了固定節(jié)流孔漢普遜型J-T效應(yīng)節(jié)流制冷器冷卻過(guò)程中的瞬態(tài)特性。1996年，S.B.Chien等[33]繼續(xù)采用此模型對(duì)有自調(diào)結(jié)構(gòu)漢普遜型J-T效應(yīng)節(jié)流制冷器的冷端溫度的穩(wěn)定性進(jìn)行了研究，主要關(guān)注J-T效應(yīng)節(jié)流制冷器的波紋管自調(diào)結(jié)構(gòu)，在此模型中包含了軸向?qū)岬挠绊?。結(jié)果表明：固定節(jié)流閥與單個(gè)自調(diào)節(jié)節(jié)流通道均不能很好地保證冷端溫度的穩(wěn)定性，采用兩個(gè)自調(diào)節(jié)節(jié)流通道并行運(yùn)行，能夠改善制冷器冷端溫度的穩(wěn)定性，但需多消耗5%的進(jìn)氣量。2002年，K.C.Ng等[34]建立了穩(wěn)態(tài)漢普遜型單螺線管型J-T效應(yīng)節(jié)流制冷器的控制方程組，以氬氣為工質(zhì)，計(jì)算了其穩(wěn)態(tài)的制冷特性，模型考慮了軸向?qū)岬挠绊懀⒂?jì)算了氬氣的物性隨壓力與溫度變化，理論值與實(shí)驗(yàn)值的誤差<0.3%。2010年，Y.J.Hong等[35]數(shù)值研究了小型雙螺旋管J-T效應(yīng)節(jié)流制冷器的瞬態(tài)特征，對(duì)不同容積和初始?jí)毫Φ母邏簹馄抗獾拈_(kāi)式J-T效應(yīng)節(jié)流制冷器進(jìn)行了數(shù)值模擬。其中，制冷器中工質(zhì)質(zhì)量流量是由節(jié)流閥處產(chǎn)生壅塞流時(shí)當(dāng)?shù)匾羲俣_定的。R.M.Damle等[36-37]于2015年建立了一維瞬態(tài)模型，重點(diǎn)分析了沿逆流換熱器軸向變化的能量方程式中J-T效應(yīng)項(xiàng)的影響。結(jié)果表明，當(dāng)壓降較大時(shí)，添加J-T效應(yīng)項(xiàng)計(jì)算制冷器性能相較于無(wú)J-T效應(yīng)項(xiàng)結(jié)果更精確。同年，Liu Yingwen等[38]對(duì)于漢普遜型J-T制冷器建立了優(yōu)化模型，該模型基于可用功損失最小化，通過(guò)響應(yīng)面法對(duì)制冷器的結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，如管長(zhǎng)、毛細(xì)管和螺旋直徑以及肋效率系數(shù)。

圖20所示為螺旋翅片管的漢普遜型J-T效應(yīng)節(jié)流制冷器。針對(duì)此復(fù)雜的幾何形狀類型的J-T效應(yīng)節(jié)流制冷器，研究者們采取了不同的處理方法。2001年，H.Xue等[39]將螺旋盤管簡(jiǎn)化為直肋，以氬氣為工質(zhì)理論研究了漢普遜型J-T效應(yīng)節(jié)流制冷器。在模擬過(guò)程中考慮了換熱器效率(換熱器的實(shí)際傳熱量與最大可能傳熱量之比)、工質(zhì)流動(dòng)特性、液化率和散熱損失。2006年，H.T.Chua等[6]數(shù)值研究了雙螺旋管翅式漢普遜J-T效應(yīng)節(jié)流制冷器，將漢普遜型換熱器復(fù)雜的幾何模型帶入控制方程組，用雙螺旋管幾何尺寸計(jì)算了實(shí)際傳熱面積。研究了換熱器效率、制冷量、冷端溫度、液化率等性能參數(shù)，并且利用熵產(chǎn)方程模擬了毛細(xì)管流動(dòng)中的壅塞流現(xiàn)象產(chǎn)生的位置。2014年，P.M.Ardhapurkar等[40]提出了一個(gè)回?zé)釗Q熱器的有效換熱面修正因子，并且基于制冷量和換熱器效能綜合優(yōu)化了J-T效應(yīng)節(jié)流制冷器。結(jié)果表明，當(dāng)面積修正因子為0.3時(shí)，流體的溫度與壓降特性與實(shí)驗(yàn)結(jié)果吻合良好。

在低溫下工作的流體可能會(huì)產(chǎn)生冷凝，相變產(chǎn)生的液膜將降低換熱器效能，因此有必要對(duì)制冷器中的兩相流建立合適的理論模型，以此來(lái)計(jì)算制冷器內(nèi)出現(xiàn)液化時(shí)壁面與流體的傳熱系數(shù)。2009年，M.Shusser等[41]采用純氣體(存在冷凝狀態(tài))作為工作流體建立了漢普遜型J-T效應(yīng)節(jié)流制冷器的理論模型。采用積分法預(yù)測(cè)了J-T效應(yīng)節(jié)流制冷器在亞臨界壓力下的傳熱傳質(zhì)，通過(guò)計(jì)算表明，沿著制冷器長(zhǎng)度方向，存在一個(gè)最佳的相對(duì)焓差值(熱負(fù)載與工質(zhì)最大可能焓差之比)使得制冷器長(zhǎng)度最小。2014年，P.M.Ardhapurkar等[42]基于現(xiàn)有的不同的冷凝關(guān)聯(lián)式和修正的Granryd沸騰關(guān)聯(lián)式計(jì)算了多組分流體在低溫下的冷凝與沸騰換熱表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)，并進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)，結(jié)果與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)吻合良好。

圖21 逆流換熱器靜態(tài)模型框圖[49]Fig.21 A block diagram of the static model of the counterflow heat exchanger[49]

對(duì)于一些特殊結(jié)構(gòu)J-T效應(yīng)節(jié)流制冷器的理論研究，一些學(xué)者也展開(kāi)了工作。例如：2012年，Zhou Yuanyuan等[43]基于可用功損失最小化建立了螺旋套管式J-T效應(yīng)節(jié)流制冷器的優(yōu)化模型，詳細(xì)討論了換熱器主要幾何參數(shù)的影響并優(yōu)化了在特定條件下的參數(shù)值。對(duì)于大壓降，微通道節(jié)流將導(dǎo)致工質(zhì)壅塞流現(xiàn)象的產(chǎn)生，此時(shí)流體的流速受限于當(dāng)?shù)匾羲佟?010年，A.Widyaparaga等[44]基于開(kāi)式系統(tǒng)建立了軟線型同心逆流微小型J-T效應(yīng)節(jié)流制冷器的數(shù)學(xué)模型，首先基于在節(jié)流處壅塞流現(xiàn)象，計(jì)算確定了工質(zhì)的質(zhì)量流量，將質(zhì)量流量作為已知值計(jì)算制冷器頂端溫度，并且與實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了對(duì)比。多組計(jì)算結(jié)果表明，在此裝置中J-T效應(yīng)相比回?zé)釗Q熱對(duì)制冷的影響效果更顯著，但在他們的模型中沒(méi)有包含軸向?qū)岬挠绊?。A.Widyaparaga等[45]基于以上研究，于2012年用二維有限差分法計(jì)算了包含軸向?qū)岬哪媪鲹Q熱器及模擬了不同尺寸的毛細(xì)管以獲得質(zhì)量流量對(duì)制冷器性能的影響。A.Alexeev等[46]采用混合氣體數(shù)值模擬了多套管式J-T效應(yīng)節(jié)流制冷器，用修正的Chen關(guān)聯(lián)式計(jì)算了強(qiáng)制對(duì)流換熱表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)，包括混合物的冷凝。

刻蝕微通道J-T效應(yīng)節(jié)流制冷器在建立其理論模型時(shí)，所采用的方法基本與漢普遜型一致，不同之處在于流動(dòng)與換熱關(guān)聯(lián)式存在較大差異。2004年，L.Y.Xiong等[47]基于動(dòng)量方程和能量方程建立了包含軸向?qū)岬囊痪SJ-T效應(yīng)&伯努利效應(yīng)矩形微槽道制冷器的理論模型，同時(shí)評(píng)估了J-T效應(yīng)與伯努利效應(yīng)。然后應(yīng)用該模型預(yù)測(cè)了壓力、溫度、速度的空間分布，但是沒(méi)有進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。2005年，P.P.P.M.Lerou等[48]建立了單級(jí)矩形微槽道J-T效應(yīng)節(jié)流制冷器中逆流換熱器穩(wěn)態(tài)模型，該模型基于最小化熵產(chǎn)，將壓降與寄生熱負(fù)荷等損失均歸因于熵產(chǎn)，通過(guò)最小化熵產(chǎn)逐步確定各結(jié)構(gòu)參數(shù)，使在固定的制冷量下，獲得最小的換熱器尺寸，從而用于指導(dǎo)設(shè)計(jì)J-T效應(yīng)節(jié)流制冷器。H.T.Brake[49]基于能量守恒方程，建立了微矩形通道J-T效應(yīng)節(jié)流制冷器中逆流換熱器的穩(wěn)態(tài)集總參數(shù)模型，在該模型中，逆流換熱器被分為N個(gè)元素，每個(gè)元素分為3個(gè)子元素：高壓流體、低壓流體和材料子元素，每個(gè)子元素被一個(gè)節(jié)點(diǎn)代替，通過(guò)導(dǎo)熱、對(duì)流、輻射或是焓流連接，如圖21所示。在該模型中，同時(shí)考慮了逆流換熱器材料的軸向?qū)岷团c外界的輻射換熱。流體和材料物性隨著溫度、壓力的變化實(shí)時(shí)更新。2012年，H.S.Cao等[50]基于H.T.Brake[49]的模型，建立了包含預(yù)熱的兩級(jí)微通道J-T效應(yīng)節(jié)流制冷器的瞬態(tài)集總參數(shù)模型。在一定的制冷量(20 mW)要求下，通過(guò)該模型計(jì)算并設(shè)計(jì)了制冷器的最小幾何尺寸。H.S.Cao等[26,51]繼續(xù)采用同樣的模型預(yù)測(cè)了兩級(jí)J-T效應(yīng)節(jié)流制冷器的實(shí)際性能，并將預(yù)測(cè)值與實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果吻合良好。各微小型J-T效應(yīng)節(jié)流制冷器模型特點(diǎn)匯總?cè)绫?所示。

表1 微小型J-T效應(yīng)節(jié)流制冷器理論模型特點(diǎn)匯總Tab.1 Summary of the characteristics of the theoretical model of the micro J-T effect throttle cryocooler

續(xù)表1

不同結(jié)構(gòu)的J-T效應(yīng)節(jié)流制冷器，現(xiàn)有理論模型均是基于一定的假定條件，以質(zhì)量、動(dòng)量、能量守恒方程作為控制方程組，給定相應(yīng)的初始條件與邊界條件，采用分段逐步計(jì)算方法對(duì)方程迭代處理，求得流動(dòng)與換熱規(guī)律。在建模過(guò)程中，制冷器的流動(dòng)與換熱特性受到多個(gè)因素的影響，而對(duì)于模擬結(jié)果的精度，由于假設(shè)條件的不同，所預(yù)測(cè)的模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)值均存在誤差。

目前理論研究建立的不同模型存在的一些差異概括起來(lái)主要有以下幾個(gè)方面：1)是否考慮工質(zhì)物性變化、制冷器材料軸向?qū)幔?)模型是否考慮了制冷器與環(huán)境的對(duì)流與輻射漏熱損失；3)工質(zhì)在大壓比下，是否存在壅塞流現(xiàn)象；4)工質(zhì)在低溫區(qū)下的相變、壅塞問(wèn)題；5)漢普遜型制冷器復(fù)雜的幾何尺寸的適當(dāng)簡(jiǎn)化；6)一些特殊結(jié)構(gòu)的制冷器理論研究文獻(xiàn)較少；7)氣體在微通道內(nèi)流動(dòng)與換熱規(guī)律研究不充分，關(guān)聯(lián)式間差異較大；8)目前多用的一維模型與實(shí)際情況存在較大差異；9)多元非共沸混合工質(zhì)換熱過(guò)程中的相變遷移等問(wèn)題。

3 總結(jié)及展望

本文概括并總結(jié)了近年來(lái)微小型J-T效應(yīng)節(jié)流制冷器在試件結(jié)構(gòu)演變、理論研究方面的進(jìn)展，得到如下結(jié)論及展望：

1)隨著應(yīng)用領(lǐng)域和加工制作工藝的發(fā)展，微小型J-T效應(yīng)節(jié)流制冷器出現(xiàn)多種多樣的結(jié)構(gòu)型式。漢普遜型J-T效應(yīng)節(jié)流制冷器發(fā)展較為成熟，已經(jīng)成功在商業(yè)上獲得了推廣和應(yīng)用，如激光、紅外制導(dǎo)、低溫顯微鏡、低溫醫(yī)療手術(shù)等。從前期的單一結(jié)構(gòu)已經(jīng)逐漸演變出多級(jí)預(yù)冷、多螺旋通道并行運(yùn)行結(jié)構(gòu)，螺旋翅片管高度、間距等尺寸參數(shù)的優(yōu)化，不同節(jié)流元件對(duì)比分析等各方面的優(yōu)化改進(jìn)工作均已開(kāi)展。但螺旋翅片管通道結(jié)構(gòu)不緊湊、也不易于多通道并行，制約了工質(zhì)流量和制冷量的進(jìn)一步增大。

2)一些特殊結(jié)構(gòu)型式微小型J-T效應(yīng)節(jié)流制冷器可滿足特定的應(yīng)用場(chǎng)合的要求，如回?zé)釗Q熱段形式有：套管式、平板式、壓電式、錐形盤管式等，節(jié)流元件有：微孔、多孔粉末冶金片、毛細(xì)管、微通道等，蒸發(fā)腔設(shè)計(jì)形式：柱形、塔形、平板式等。型式結(jié)構(gòu)別出心裁，材料、性能以及制作方法各具特色。在這個(gè)方面，還有更多的想象和發(fā)展空間。

3)近年來(lái)，隨著微刻蝕加工和焊接工藝的發(fā)展，出現(xiàn)了多通道并行及多級(jí)制冷的微通道J-T效應(yīng)節(jié)流制冷器?；?zé)釗Q熱段采用通道比表面積大、傳熱性能好的微通道型式，多層多通道并行可以通過(guò)較大流量、并行放大制冷量，同時(shí)保持整體體積較小。印刷電路板的刻蝕設(shè)計(jì)發(fā)展出多種通道樣式、一體化實(shí)現(xiàn)兩級(jí)甚至多級(jí)復(fù)疊制冷，達(dá)到更低制冷溫度。目前的研究常用的有微矩形通道結(jié)構(gòu)，還出現(xiàn)了微柱群、微孔板結(jié)構(gòu)；除了二到三層通道的單級(jí)制冷微通道節(jié)流制冷器，還出現(xiàn)了單個(gè)試件完成兩級(jí)制冷以及多個(gè)疊層微通道J-T效應(yīng)節(jié)流制冷器。借助印刷電路板換熱器制作工藝實(shí)現(xiàn)微小型J-T節(jié)流制冷器制冷量提升、制冷溫度降低還有很多研究和發(fā)展空間。

4)雖然微小J-T效應(yīng)節(jié)流制冷器體積小，但其中運(yùn)行機(jī)理很復(fù)雜，包括漏熱損失、低溫相變、冰堵現(xiàn)象等。目前理論模型均基于一定假設(shè)的一維模型，涉及的工質(zhì)大多為純組分工質(zhì)，但實(shí)際情況比目前采用的理論模型更為復(fù)雜。目前已有的理論研究結(jié)果與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)相比有一定的差距，而且理論研究案例數(shù)量遠(yuǎn)不及實(shí)驗(yàn)研究以及實(shí)際應(yīng)用，導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)、優(yōu)化以及應(yīng)用缺乏可靠的理論工具。

綜上所述，今后對(duì)于微小型J-T效應(yīng)節(jié)流制冷器的研究還有很大的發(fā)展空間。結(jié)構(gòu)方面，隨著加工工藝的進(jìn)步與發(fā)展，將會(huì)出現(xiàn)越來(lái)越多高效、緊湊的各種微通道形式的回?zé)釗Q熱結(jié)構(gòu)，而微小型J-T效應(yīng)節(jié)流制冷器整體結(jié)構(gòu)形式也將會(huì)向多級(jí)預(yù)冷、多級(jí)節(jié)流方向發(fā)展；理論方面，隨著結(jié)構(gòu)形式的多樣化，必將會(huì)使制冷劑的流動(dòng)與換熱規(guī)律復(fù)雜化，因此，今后對(duì)于J-T效應(yīng)節(jié)流制冷器的理論研究，一方面需建立并求解更切實(shí)際的理論模型；另一方面還得關(guān)切與及時(shí)應(yīng)用相關(guān)的基礎(chǔ)研究成果，例如氣體微通道流動(dòng)換熱、氣液兩相微通道相變換熱以及多組元非共沸工質(zhì)流動(dòng)換熱過(guò)程中物性及相變遷移特性研究。