微型焦湯制冷器的研究進展及展望

沈智峰，崔曉鈺，王 軍

(上海理工大學能源與動力工程學院，上海200093)

1 前言

大多數紅外探測器組件的運行往往要求較低的工作溫度以及較短的制冷時間，而到達這種要求的技術手段有很多種，利用焦耳－湯姆遜節流致冷效應(以下簡稱J－T效應)的微型焦湯制冷器具備體積小、制冷溫度低、降溫速度快、低溫端無運動部件、可靠性高等優點，將其應用于紅外探測和成像設備中會是一種非常有效的制冷手段。

在氣體液化和低溫制冷技術中，利用實際氣體的焦耳－湯姆遜節流致冷效應是一種最常用的方法，而且早在1895年，一次J－T效應節流制冷循環就用于工業上的氣體液化［1］。微型J－T效應制冷器的研制始于20世紀50年代，它通常由逆流回熱換熱器、節流元件和蒸發器組成。一般采用管徑細小(為 0.5～1 mm)的不銹鋼管，管外繞肋片后再在芯軸上繞成螺旋管，不銹鋼管的一端裝有節流元件(固定或可調小孔、毛細管或多孔材料)，然后插入杜瓦管。節流后的氣液混合物在杜瓦管底部(稱為頭部蒸發腔)蒸發制冷，杜瓦管內壁與芯軸間的環形縫隙是返流氣體的通道，用返流的低壓氣體來預冷節流前的高壓熱氣流［1］，如圖1所示。

圖1 具有逆流回熱換熱器的單級J－T效應制冷器Fig.1 One stage J－T crycooler

近年來，研究人員對微型J－T效應制冷器的結構、制冷系統及混合工質的運用三個方面都做了大量研究，這些研究都有力地推動了微型J－T效應制冷器的發展。

2 國內外研究現狀及發展動態分析

2.1 J－T效應制冷器結構研究進展

節流元件作用是降壓獲取低溫，主要結構形式有:微孔、多孔粉末冶金片、毛細管等。回熱換熱器以返流預冷來流，以螺旋管翅式居多。J－T效應制冷器按蒸發腔外形可劃分為柱形、塔形和平板式等。按氣流控制分為開放式和自調式，其中自調節式從最初的波紋管、雙金屬材料、壓電陶瓷到近期的記憶合金等。按與被冷卻器件連接方式分類，則有整體式、模塊式和噴射式。關于近年來J－T效應制冷器結構的研究文獻綜述如下:

1998 年，H.J.Holland［2］等人研發了兩種微型焦湯制冷器并對其做了實驗研究。兩者換熱段擁有相同的內外管徑(內管內徑0.1 mm，壁厚0.13 mm，外觀內徑0.53 mm，壁厚0.07 mm)，區別在于一種換熱器換熱段長度為270 mm，而另一種為105 mm。兩者的最低冷端溫度均能達到82 K。圖2為其中一種的結構示意圖。

圖2 微型焦湯制冷器結構示意圖Fig.2 The structure diagram of the micro J－T crycooler

1999 年，S.Pradeep Narayanan 和G.Venkatarathnam［3］對一種微型J－T制冷器(圖3)進行了數值模擬，用以理解其內部復雜的對流及導熱問題并同時提出了對這種換熱器的一些設計準則。這種J－T制冷器的所有元器件均被刻在了薄玻璃或者不銹鋼薄板上，厚度為1～2 mm，制作寬度一般為10～20 mm，長度為50～100 mm，通道為矩形通道，大小為200 μm ×30 μm。

圖3 微型制冷器結構圖Fig.3 The structure diagram of the micro J－T crycooler

2007年，Lerou［4］在玻璃圓片上運用刻蝕加工技術制作了微J－T效應制冷器，由三層玻璃薄片組成，層間刻蝕有矩形槽道，做成的換熱器共有8種不同設計14個樣品，槽深從2～4 mm，長度從15～35 mm，采用氮氣為工質。目標制冷量10 mW，頂端溫度96 K。測量最大可達到制冷量20 mW，頂端溫度100 K。

2010 年，Adhika Widyaparaga［5］實驗了 50 mm長軟線型同心逆流回熱器(如圖4和圖5所示)(外層材料為聚醚醚酮，外徑0.6 mm，壁厚0.1 mm，內層是同心不銹鋼，外徑0.3 mm，內徑0.1 mm)微小J－T效應制冷器。工質分別C2H4、CO2、N2純工質，實驗顯示乙烯節流制冷效果最好。同時采用換熱和流動經驗關聯式分布計算了此微小J－T效應制冷器流量和頂部溫度，并且與實驗進行了對比。研究表明在此裝置中焦湯效應相比回熱換熱對制冷的影響更為重要。同時評估了入口效應、粗糙度和軸向導熱的作用。

圖4 線形焦湯制冷器尺寸圖Fig.4 The dimension figure of the wire-type J－T crycooler

圖5 線形焦湯制冷器蒸發器尺寸圖Fig.5 The dimension figure of the wire-type J－ T crycooler’s evaporator

2010 年，美國科羅拉多大學 M H Lin［6－7］等實驗研究的微型焦湯制冷器采用毛細玻璃管中內置六個中空玻璃纖維管，玻璃纖維管內為高壓來流，小管與大管間為低壓返流，頂端為平板型，節流元件為J－T膨脹閥，結構示意圖如圖6所示。采用5種成分組成的混合工質，實驗極端制冷溫度可以達到77K。

圖6 J－T效應制冷器結構示意圖Fig.6 The structure diagram of the micro J－T crycooler

2012年，江慶［8］等人介紹了節流制冷器的工作原理和設計過程，輔以懲罰函數法的優化方法設計了閉式節流制冷器的兩種結構形式，其熱交換器的結構均為螺旋肋片管盤管，區別在于一種繞制了兩層肋片管，而另一種繞制了三層。其制冷性能對比如表1所示。

表1 微型焦湯制冷器制冷性能對比Tab.1 The refrigeration performance comparison of two micro J－T crycoolers

從表格可發現，兩層的節流制冷器要比三層的降溫快，但制冷溫度相對三層來說要高，應根據實際情況選擇兩層或三層節流制冷器，從而達到滿足不同使用要求的目的。

2012 年，Yuanyuan Zhou［9］等人對一種螺旋套管換熱器做了熱力優化分析，這種換熱器運用于焦湯制冷系統中。他們引入了“運作損失”這么一個概念，其綜合考慮了換熱器運行過程中熱力性能和水力性能的損失，并以此作為一種優化螺旋套管換熱器結構參數的判定參數。

2012年，姚青華［10］研發了一種錐形自調式節流制冷器，與傳統波紋管型自調式節流制冷器相比，有制冷速度快、結構簡單、成本低廉等特點。其制冷時間在6 s左右，制冷溫度可達到88K左右。

2.2 J－T效應制冷器制冷系統研究進展

J－T效應制冷器制冷系統通常包括壓縮機、換熱器、節流元件及蒸發器。按制冷級數可分為單級和多級。對制冷系統進行改進往往能使J－T效應制冷器的冷端達到更低的溫度，達到更好的能效比，獲得更大的制冷量，近年來文獻綜述如下:

2004 年，M.Q.Gong［11］等人研究了運行混合工質的三種焦湯制冷系統。研究表明，不同的制冷系統擁有不同的最優混合物配比;對于擁有分相器的制冷系統，混合工質中含有較多高沸點的成分將提升其熱力性能;當三種制冷系統同時運用最優混合物運行時，三者表現出相近的熱力性能。

2008 年，Jianlin YU［12］在蒸發腔后加入抽吸噴射裝置構成新的焦湯閉式制冷循環(如圖7所示)，實驗結果顯示制冷效率和制冷量都得到顯著提升。

圖7 制冷循環系統圖Fig.7 The system diagram of the refrigeration cycle

2008年，劉剛［13］介紹了多種運用于紅外探測和成像設備的焦湯制冷系統，并表明在實際應用過程中，為了研發制冷性能更好的節流制冷器，往往會綜合運用多種制冷系統中的優點。

2011 年，H.S.Cao［14］等人設計了一種二級制冷的焦湯制冷器，系統及結構圖如圖8和圖9所示，該制冷器由三層玻璃薄片組成，外層有一層鍍金層以減少制冷器的熱輻射損失。預冷循環蝕刻在中層，制冷循環蝕刻在底層。通過所建立的動態有限元模型分析了該焦湯制冷器的制冷性能并計算得到了能滿足制冷要求的該種制冷器所能達到的最小尺寸，大小為20.4 mm×85.8 mm×0.72 mm，其一階段制冷所能達到的制冷量為50 mW，頂端溫度為97 K，二階段制冷所能達到的制冷量為20 mW，頂端溫度為28 K。

圖8 制冷循環系統圖Fig.8 The system diagram of the refrigeration cycle

圖9 微型焦湯制冷器結構示意圖Fig.9 The structure diagram of the micro J－T crycooler

2012 年，Maoqiong Gong［15］等人設計，制造并測試了一種二級制冷的運行混合工質的焦湯制冷器，主路循環及預冷循環中所運用的換熱器均為套管式換熱器，J－T膨脹閥均運用的是毛細管。在沒有熱負荷的情況下，冷端溫度可以達到75.5K。在達到99K的時候可以獲得110 W的制冷量。

2012 年，Yoichi Sato［16］等人對一種運用于日本“Astro－H”衛星上的機械制冷器進行了熱力性能及可靠性的優化。對此焦湯制冷器制冷系統的修正改進主要有兩方面，一方面是對壓縮機性能的改進，另一方面是在高壓入流至換熱器之間加入了吸氣劑，以清理工質中的雜質。焦湯制冷器冷端溫度在達到4.5 K的情況下可以獲得40 mW的制冷量，并且經研究發現，它還能做到更低的制冷溫度及更大的制冷量。

2013 年，Jisung Lee［17］等人設計了幾種有預冷階段的制冷系統用來提高以氖氮作為混合物的焦湯制冷器的制冷效率。一般的焦湯制冷器冷端溫度在80K以上時才能表現出良好的熱力性能，而這里所提出的經過優化設計的具備預冷系統的焦湯制冷器，可以做到更低的制冷溫度及更高的能效比。

2.3 J－T效應制冷器混合工質研究進展

采用混合工質比運用純工質的J－T效應制冷器制冷能力顯著提高、運行壓力降低、降溫速度縮短，這些優勢在許多文獻中一再被證實。近年來文獻綜述如下:

1994年，美國W A Little教授在混合工質中加入小量滅火劑CF3Br解決了混合工質可燃［18］問題。

1995年，羅二倉和周遠［19］報告了國內外運用混合工質的焦湯制冷器的研究情況。從其報告文獻表明，相較于純工質，運用混合工質可使得焦湯制冷器獲得更大的制冷量及更高的熱效率。

1996 年，許名堯、何雅玲［20－21］等發表多篇文章對氮氣和氟利昂組成的混合工質進行了節流特性和相平衡分析，認為可以取代氮氣和烷烴或者烯烴混合工質。

1999年，羅二倉［22］等人報道了他們研發的針對運用于不同場合的節流制冷系統的混合工質。

2001年，浙江大學陳琪［23］對兩元混合工質小型J－T效應制冷機進行了實驗和熱力學分析研究。

2006年，Maytal采用9種工質組成混合工質［24］(氮氣、氬氣、甲烷、R14、乙炔、乙烷、丙烷、異丁烷、異戊烷。)用智能優化法優選比例進行實驗研究。經研究發現，擁有更多成分的混合工質可以做到更大的制冷量，但同時要求配備更大的回熱換熱器;制冷器冷端溫度達到90 K和80 K的最優化混合物所做到了制冷量差不多;混合工質在制冷器冷端溫度達到80 K時，其能使得換熱器達到的緊湊度比純氮氣工質多出50%，但在制冷器冷端溫度達到90 K時，沒有一種混合工質可以使得換熱器的緊湊度比純氬氣做的高。

2007 年，J M Pfotenhauer，J F Pettitt等［25］對混合工質單級壓縮多頭J－T效應制冷器進行研究，混合工質采用了氮氣39%、乙烷55%、甲烷6%，建立了一種綜合考慮各種因素的模型來對混合工質JT效應制冷器進行優化設計。

2010年，M H Lin等［6］發表五種組分組成(氮、乙烷、甲烷、丙烷、氖。)的混合工質微型焦湯制冷器的研究論文。經研究發現，混合工質能在更小的質量流量及高低壓比的情況下，做到與純工質相同的制冷量。

在功率突變時,λ1無法跟隨系統做出相應改變,雖然對開關動作次數的放大倍數沒變,但是由于給定功率發生了變化,功率誤差也會有相應的浮動,此時,定系數降頻控制策略的開關函數在代價函數中的比重反向改變。假設給定功率由3 000 W突變為1 500 W,穩定后,功率誤差絕對值之和也會降低,此時,為了維持系統的穩定跟蹤,開關函數系數應當相應降低,而λ1未改變,那么開關函數在代價函數中的比重反而上升,造成了系統穩態性能下降。而在變系數降頻控制策略中,由于同時考慮了給定功率和功率誤差,在功率突變時,λ2會做出相應的改變,依然維持著高品質的功率跟蹤。

2010年，浙江大學王勤［26］研究的兩元混合工質小型J－T效應制冷器涉及6種混合工質搭配(R23/R134a、R23/R227ea、R23/R236ea、R170/R290、R170/R600a及 R170/R600)。經研究表明，混合物組份配比及運行壓力的大小將決定J－T效應制冷器的制冷性能。同年浙江大學張紹志［27］研究采用復疊式制冷的J－T冷凍醫療手術設備的性能，工質為R50、R23、R600A混合物，組份經過優化配比，使得這種J－T冷凍醫療手術設備達到更低的制冷溫度及更大的制冷量。

2010 年，N.S.Walimbe等［28］實驗研究了三組運用于閉式J－T制冷系統的混合工質(①氖、氮氣、甲烷、乙烷、丙烷、異丁烷;②R134a、R404A、R23 及氮氣;③R134a、R404A、R23、氮氣及甲烷)，由實驗研究發現非可燃混合物更適合運用于制冷溫度相對較高的領域;要提高運用于制冷溫度相對較高領域的制冷器的制冷性能，運用包含最少可燃工質的混合物(例如由R134a、R404A、R23、氮氣及甲烷組成的混合物)是一種方法。

2011 年，N.Lakshmi Narasimhan 和 G.Venkatarathnam［29］研究了混合物成分變化對焦湯制冷器熱力性能的影響，混合工質由氮氣、甲烷、乙烷及丙烷組成。經研究表明:制冷量由系統運行壓力決定，而系統運行壓力將根據混合物成分的變化而變化;擁有最好的制冷效應的混合物組分不一定能獲得最大的制冷量;在給定混合物組分的情況下，通過選擇合適的換熱器及節流管的長度，制冷器可以達到最好的熱力性能。

2012 年，H.M.Skye［30］等人通過對一種有預冷系統的，采用混合工質的冷凍探針建立了一種經驗修正模型，并對其進行了試驗和優化研究，混合工質由氬氣、R14及R23組成。經研究發現，經驗修正模型與等溫焓差模型及夾點模型相比，在預測制冷量方面具備更好的準確性。同時，這三種模型又被用來預測二元混合工質(R14，R23)在冷凍探針中的最佳分配方案，經驗修正模型所測得最佳混合物分配方案中，高沸點成分相對居多。

2013 年，Ryan Lewis［31］等人設計了四組運用于焦湯制冷器的混合工質(①甲烷、乙烷、乙烯、異丁烷、異己烷;②甲烷、乙烷、乙烯、異丁烷、異戊烷;③甲烷、乙烯、丙烷、異戊烷、戊烷;④甲烷、乙烯、丙烷、丁烷、戊烷)。運行壓力范圍為0.1～0.4MPa，實驗對比了其在有和沒有預冷段的制冷系統中的熱力性能表現，同時將兩種純工質也加入到了實驗研究中。研究表明，沒有預冷段制冷系統中的這四組混合工質所能做到的制冷量比設計值要低，原因在于有液相工質堆積在壓縮機和制冷器之間;在有預冷系統的制冷系統中，這四組混合工質在系統運行一段時間后，由于液相工質在壓縮機和制冷器間不斷堆積，導致流量會產生波動，因而導致了制冷溫度的波動;純工質相對混合工質來說冷卻的更快，但混合工質可以做到更低的制冷溫度。

3 總結與展望

通過上述近年來對于微型焦湯制冷器在結構、制冷系統及混合工質運用三方面的研究，可以獲得以下的一些結論與展望:

(1)從國內外學者對于微型焦湯制冷器結構的研究可看出，制冷器的換熱及節流通道不斷往微細化的方向發展，制冷器的整體的結構往細長化的方向發展。換熱通道可以考慮做成蜿蜒曲折型以加強高低壓流體間的換熱，同時應注意制冷器設計長度，過短會導致制冷器高低溫端過近，軸向導熱增大。

(2)從微型焦湯制冷器制冷系統考慮，可以對制冷器加入一個或多個預冷級，設計合理可以減少制冷器制冷時間，達到更低的工作溫度，獲得更大的制冷量及能效比。同時，也可以考慮向制冷系統添加分相器、抽吸噴射裝置、吸氣劑等設備來提高制冷系統的熱力性能。

(3)從制冷工質角度考慮，應當積極運用混合工質，其相對于純工質，往往可以使得制冷器達到更低的制冷溫度，對系統運行的壓力要求降低，擁有更快的降溫速度，獲取更大的制冷量。同時應當針對所研究的焦湯制冷系統找到最佳混合物配比方案，使得制冷器達到最佳的熱力性能。

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